Например, Бобцов

Как утилизировать обводнѐнное топливо

УДК 662.6: 543.812

Как утилизировать обводнѐнное топливо

Евдокимов А.А., Кисс В.В.
evdokimov@bk.ru

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики. Институт холода и биотехнологий

При сжигании обводнѐнного (до 30-40%) котельного топлива можно утилизировать не более 60% углеводородов. Остальная масса нефтепродуктов выбрасывается с дымовыми газами, загрязняя атмосферу.
Чтобы избежать загрязнения атмосферы, обводнѐнное топливо необходимо предварительно обезвоживать. Разработанная авторами станция обезвоживания обводнѐнных нефтепродуктов поможет решить эту проблему и получить хорошую прибыль. Ключевые слова: сжигание обводнѐнного котельного топлива, загрязнение атмосферы, станция обезвоживания нефтепродуктов.

Сторонники использования обводнѐнного котельного топлива аргументируют это тем, что затраты на испарение воды, содержащейся изначально в топливе, компенсируются полностью при последующей утилизации теплоты конденсации еѐ паров в поверхностных теплообменниках, где дымовые газы охлаждаются до температуры ниже чем 100оС. Такой довод имеет смысл, если в котельном топливе не содержится серы. Но для высокосернистых сортов нефти, добываемых в России, присутствие серы в мазутах оказывается весьма значительным, и при их сжигании образуется много кислотообразующих окислов серы. При конденсации воды, содержащейся в дымовых газах, окислы серы, взаимодействуют с ней с образованием сильных кислот. По этой причине теплообменные поверхности кожухотрубчатых и пластинчатых теплообменников, предназначенных для утилизации теплоты конденсации водяных паров, подвергаются интенсивной коррозии и быстро выходят из строя.
Учитывая тот факт, что к повсеместной замене теплообменного оборудования котельных установок теплоэнергетический комплекс (ТЭК) пока не готов, мы попытались определить, как влияет влагосодержание топлива
на теоретическую температуру горения и на его приведѐнную теплотворную способность, если конденсация водяных паров недопустима.

1. В процессе сжигания обводнѐнного топлива тепловой эффект реакции горения (Q, Дж) расходуется на испарение балластной воды (Х∙m∙r) и увеличение энтальпии (от I1 до I2) газообразных продуктов реакции:

Q – Х∙m∙r = I2 – I1,

(1)

где m – масса обводнѐнного топлива, кг; Х – массовая доля воды в топливе; r – теплота парообразования Дж/кг. При полном сгорании углеводородов, содержащихся в обводнѐнном топливе, тепловой эффект процесса рассчитывают по формуле:

Q = m∙(1–Х)∙q,

(2)

где q – теплотворная способность безводного топлива, Дж/кг.

Разность энтальпий газообразных продуктов при теоретической

температуре горения (ТΘ) и начальной температуре исходной смеси (Т0) определим как

I2 – I1 = M∙Cp∙ (ТΘ – Т0), где М – общая масса реагирующих веществ, кг;

(3)

Cp – теплоѐмкость продуктов горения, Дж/(кг∙К). Тогда, с учетом выражений 1 – 3 получаем уравнение теплового баланса

m∙(1–Х)∙q – Х∙m∙r = M∙Cp∙(ТΘ – Т0),

(4)

в котором теплоѐмкость продуктов горения Cp можно определить, зная их

влагосодержание (Y)

CP = ССУХ∙ (1 – Y ) + СВП∙Y,

(5)

где ССУХ – теплоѐмкость сухих дымовых газов, а СВП – теплоѐмкость водяных

паров, Дж/кг∙К.

Разделив обе части уравнения 4 на М, получим новое уравнение

q∙ m∙(1–Х)/М – r∙Х∙m/М = (ТΘ – Т0)∙[ССУХ∙(1 – Y ) + СВП∙Y],

(6)

решая которое, можно найти теоретическую температуру обводненного нефтепродукта
q∙ m∙(1–Х)/М – r∙Х∙m/М ТΘ= ––––––––––––––––––––––– + Т0 .
ССУХ(1 – Y) + СВПY

горения (7)

Чтобы решить уравнение 7, достаточно знать массовые доли балластной воды в исходной смеси (YВ =Х∙m/М) и углеводородов [YТ = m∙(1–Х)/М], а в дымовых газах – абсолютное влагосодержание (Y).

2. Процесс горения обводнѐнных предельных углеводородов можно описать уравнением:

СnH2n+2 +kH2O+ [n+ 0,5(n+1)]O2 = nCO2+ [k+n+1] H2O + Qр,

(8)

где Qр –теплота сгорания углеводородов, кДж/моль, k – число молей воды, приходящееся на моль обводнѐнных углеводородов.

Эквимолярные массы (в к.е.) исходных продуктов из уравнений 8, 1 и 2:

углеводородов –

14n+2,

воды (не участвующей в реакции)

(14n+2)∙Х/(1–Х),

кислорода –

48n+16,

обводнѐнного топлива

(14n+2)/(1–Х).

Для полного сгорания топлива воздух в топку подают с избытком. Коэффициент избытка воздуха (с учѐтом флегматизирующего действия паров воды, изначально присутствующих в зоне горения) поддерживают ~ 1.2. Тогда количества присутствующих веществ можно определить из выражения:

СnH2n+2+kH2O+1,2[n+0,5(n+1)]O2 = nCO2+[k+n+1]H2O+0,2[n+0,5(n+1)]O2+Qр (9)

Чтобы обеспечить требуемый избыток кислорода [mО = 1,2∙(48n+16)], в топку необходимо подавать воздуха (mВОЗД) с массовой долей в нѐм кислорода 0,2312:

mВОЗД=1,2∙(48n+16)/0,2312= ~ 83,045(3n+1).

(10)

Тогда общую массу исходных продуктов можно определить условием:

М = m + mВОЗД= (14n+2)/(1–Х) + 83,045(3n+1).

(11)

Масса продуктов реакции та же (М). Общее количество водяных паров в них

(mВ) складывается из балластной (14n+2)∙Х/(1–Х), реакционной 18∙(n+1) и

влаги, поступающей в топку вместе с воздухом [83,045∙d∙(3n+1)], где d –

абсолютное влагосодержание воздуха, которое принимают ~ 5г/кг). Тогда:

mВ=(14n+2)∙Х/(1–Х)+18∙(n+1)+0,005∙83,045(3n+1)=

=(14n+2)∙Х/(1–Х)+19,2457n+18,4152.

(12)

Результаты расчѐтов количества веществ, присутствующих в зоне

горения, тепловых эффектов от сжигания топлива и затрат на испарение

балластной воды, теплоѐмкости дымовых газов и теоретической температуры

горения обводнѐнного топлива с различным влагосодержанием (Х) и различной

молекулярной массой (СnH2n+2) представлены в таблице 1. При расчѐте приняты:
теплоѐмкость воды СВ = 4,19 кДж/кг, теплоѐмкость воздуха при постоянном давлении СВОЗД ~ 1,05 кДж/кг, теплота парообразования воды rВ = 2257 кДж/кг, теплоѐмкость «сухих» дымовых газов ССДГ= ~ 1,05 кДж/кг q – теплотворная способность безводного топлива (мазут) ~ 40 МДж/кг
3. Приведѐнную теплотворная способность обводнѐнного топлива можно рассчитать, учитывая как уменьшение доли углеводородов, так и теплопотери на нагревание и испарение балластной воды:

q* = (1 – Х)∙q – Х∙[(100 – 20)∙СВ + r],

(13)

где 100оС – температура кипения воды, 20оС – исходная температура

обводнѐнного топлива.

Подставляя численные значения q, СВ, r в уравнение 13 и проводя необходимые преобразования, получаем формулу для определения расчѐтной теплотворной способности обводнѐнного углеводородного топлива при полном его сгорании

q* = 40 – 42,5922∙Х (МДж/кг).

(14)

Из таблицы 1 следует, что эффективность использования обводнѐнного топлива

даже при условии полного его сгорания значительно ниже его доли в топливе.

4. Однако на практике при сжигании топлива с обводнѐнностью ~ 40% температура в зоне горения не превышает 1000оС. Тепловой эффект реакции оказывается в 1,6 – 1,7 раза ниже ожидаемого. Это означает, что в таких условиях, когда концентрация водяных паров в зоне горения достигает концентрации горючего вещества, эффект флегматизации становится весьма значительным, и доля сгоревшего топлива уже не превышает 59 – 63 %.

Таблица 1.

Теоретич6ская температура горения и теплотворная способность обводнѐнных углеводородов (СnH2n+2)



Масса Масса угл-ов воды в топ- в ливе, топ-
кг ливе, кг

Масса Масса Общая

сухого воды в масса

воз- воздухе, воды,

духа, кг

кг

mВ,
кг

Масса Общая влаж- реакциного онная воздуха, масса,
кг М, кг

Доля воды в дымо-
вых газах,Y

Доля

CP, углево-

дородов

кДж ––– кг

YТ = m––∙(–1–––Х–)
М

Доля

балласт-

ной

воды,

Х∙m



=

––– М

qYТ –rYВ МДж

ТΘ, ОС

q*,
МДж кг

Ожидаемый
коэффициент использования топлива

15 0,1 212 23,56 15 0,2 212 53,00 15 0,3 212 90,86 15 0,4 212 141,13 15 0,5 212 212,00 20 0,0 282 0,00 20 0,1 282 31,33 20 0,2 282 70,50 20 0,3 282 120,86 20 0,4 282 188,00 20 0,5 282 282,0 25 0,1 352 39,11 25 0,2 352 88,00 25 0,3 352 150,86 25 0,4 352 234,67 25 0,5 352 352,00 30 0,1 422 46,89 30 0,2 422 105,50 30 0,3 422 180,86 30 0,4 422 281,33 30 0,5 422 422,00

3820 3820 3820 3820 3820 5066 5066 5066 5066 5066 5066 6311 6311 6311 6311 6311 7557 7557 7557 7557 7557

19,10 19,10 19,10 19,10 19,10 25,33 25,33 25,33 25,33 25,33 25,33 31,56 31,56 31,56 31,56 31,56 37,79 37,79 37,79 37,79 37,79

330,66 360,10 397,96 448,23 519,10 403,33 434,66 473,83 524,19 591,33 685,33 538,67 587,56 650,42 734,23 851,55 642,68 701,29 776,65 887,12 1017,79

3839 3839 3839 3839 3839 5091 5091 5091 5091 5091 5091 6343 6343 6343 6343 6343 7595 7595 7595 7595 7595

4075 4104 4142 4192 4263 5373 5404 5444 5494 5561 5655 6734 6783 6846 6930 7047 8064 8122 8198 8298 8439

0,081 0,088 0,096 0,107 0,122 0,075 0,080 0,087 0,095 0,106 0,122 0,080 0,087 0,095 0,106 0,121 0,080 0,087 0,095 0,107 0,121

1,14 0,0520 1,15 0,0517 1,16 0,0512 1,17 0,0506 1,19 0,0500 1,13 0,0525 1,14 0,0522 1,15 0,0518 1,16 0,0513 1,17 0,0507 1,19 0,0500 1,14 0,0523 1,15 0,0519 1,16 0,0514 1,17 0,0508 1,19 0,0500 1,14 0,0523 1,15 0,0520 1,16 0,0515 1,17 0,0509 1,19 0,0500

0,0058 0,0130 0,0219 0,0337 0,0497
0 0,0058 0,0130 0,0220 0,0338 0,0500 0,0058 0,0130 0,0220 0,0339 0,0500 0,0058 0,0130 0,0220 0,0339 0,0500

2067 2039 1999 1948 1888 2100 2075 2043 1999 1952 1887 2079 2047 2013 1956 1887 2079 2051 2011 1960 1887

1833 1793 1743 1684 1606 1878 1840 1796 1743 1688 1605 1843 1800 1755 1692 1605 1843 1803 1754 1695 1605

35,74 31,48 27,22 22,96 18,70 40,00 35,74 31,48 27,22 22,96 18,70 35,74 31,48 27,22 22,96 18,70 35,74 31,48 27,22 22,96 18,70

0,8935 0,7870 0,6805 0,5740 0,4675 1,0000 0,8935 0,7870 0,6805 0,5740 0,4675 0,8935 0,7870 0,6805 0,5740 0,4675 0,8935 0,7870 0,6805 0,5740 0,4675

Результаты выполненного анализа показывают, что сжигание обводнѐнного топлива, кроме прямых теплопотерь, приводит к интенсивному загрязнению атмосферного воздуха, поскольку до 40% углеводородов не сгорает, а теряется с дымовыми газами.
Мы изучили проблему образования обводнѐнных нефтепродуктов [1], способы их обезвоживания [2] и нашли интересное высокотехнологичное еѐ решение [3]:
 На первой ступени отмывки нефтеналивного и нефтетранспортного оборудования для извлечения нефтяного остатка мы используем не специально приготовленные моющие растворы, а продукты, образовавшиеся от предыдущей промывки [5]. Это позволяет не только резко снизить водопотребление, но и вернуть образующиеся эмульсии в производственный цикл без их полного разделения.
 Образующийся при отмывке углеводородный слой, представляющий собой сильно обводнѐнные высоковязкие нефтепродукты, мы предварительно нагреваем до температуры 140-145оС (при давлении свыше 0,5 МПа) в автоклаве, что позволяет снизить вязкость смеси и значительно ускорить процесс еѐ расслаивания [6].
 Отсепарированный углеводородный слой в процессе дросселирования мы перегреваем, что позволяет компенсировать потери тепла на испарение воды в отгонном плѐночном аппарате специальной конструкции [8].
 Образующиеся на всех стадиях отмывки и обезвоживания водяные пары мы собираем, конденсируем и направляем для споласкивания отмытого оборудования и подпитки моющих растворов [7].
Всѐ это позволяет отказаться от использования природной воды, как рабочего тела (за исключением компенсации неучтѐнных потерь), и полностью исключить загрязнение водоѐмов, почв и атмосферы нефтепродуктами.
Опытный образец станции обезвоживания нефтепродуктов (СОНеф) [7] был изготовленный в виде пилотной установки с учѐтом всех перечисленных выше технических решений и успешно прошѐл испытания в условиях действующей промывочно-пропарочной станции [4]. А технико-экономический расчѐт показал, что затраты на создание СОНеф окупятся через 1,5 – 2 года.
При отмывке нефтеналивного и нефтетранспортного оборудования на железнодорожном транспорте, танкерном флоте и в топливных парках теплоэнергетического комплекса только в России, Казахстане и Украине ежедневно образуется около 100 тысяч тонн обводнѐнных нефтепродуктов [3]. Сведениями о промышленных масштабах их обезвоживания перед сжиганием мы не располагаем. Почему ни нефтетранспортники, ни теплоэнергетики не спешат внедрять природозащитные энергосберегающие технологии?
Сегодня, не боясь ни экологического, ни отраслевого контроля, им легче добавлять никем не учтѐнные обводнѐнные нефтепродукты к товарному топливу и получать «бонусную» прибыль. Никто не штрафует руководство ТЭЦ и котельных за то, что они ежедневно выбрасывают в атмосферу 10-20 тыс. т. углеводородов, а удорожание коммунальных услуг и товаров первой необходимости безропотно компенсируют налогоплательщики.

Список литературы: 1. Евдокимов А.А. Очистка нефтеналивного и нефтетранспортного
оборудования. Проблемы и решения // Экология и промышленность России. – М.: Изд. ЗАО «Калвис». – 2010, № 2, с. 7 – 9. 2. Евдокимов А.А. Краткий анализ методов и средств обезвоживания вязких нефтепродуктов // Экология и промышленность России. – М.: Изд. ЗАО «Калвис». – 2010, № 3, с. 20-23. 3. Евдокимов А.А. Обводнѐнные нефтеотходы – значительный энергетический ресурс России. // Экология и промышленность России. – М.: Изд. ЗАО «Калвис». – 2012, ноябрь, с. 19-21. 4. Иоффе О.Б., Евдокимов А.А. Результаты испытаний пилотной установки обезвоживания вязких нефтепродуктов // Экология и промышленность России. – М.: Изд. ЗАО «Калвис». – 2010, № 2, с. 22 – 25. 5. Патент РФ № 2262396. Способ очистки поверхности от углеводородных загрязнений. А.А. Евдокимов, В.А. Евдокимов, Е.А. Евдокимов. БИ № 29, 2005 г. 6. Патент РФ № 2315803 Способ обезвоживания нефтепродуктов А.А. Евдокимов. БИ № 3, 2008 7. Патент РФ № 2327504. Станция обезвоживания нефтепродуктов. А.А. Евдокимов, О.Б. Иоффе, В.И. Матвеев. БИ №18, 2008 г. 8. Патент РФ № 2300408. Отгонный плѐночный аппарат. А.А. Евдокимов, БИ № 16, 2007 г
How to utilize the watered fuel
Evdokimov A.A., Kiss V.V.
evdokimov@bk.ru
Saint-Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics.
Institute of Refrigeration and Biotechnologies
It is possible to utilize not more than 60% hydrocarbons when we try to burn watered about 30-40% viscous fuel. The rest hydrocarbons are evacuated with fume gases (smoke fumes) polluting atmosphere. To avoid atmosphere pollution it is necessary at first to dehumidify the watered fuel. Made by us the watered oil products dehumidification refinery will help to decide the problem and to receive a good profit. Keywords: burning watered viscous fuel, atmosphere pollution, oil products dehumidification refinery.