ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ И ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КОТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА

КОТЕЛЬНЫЕ ТОПЛИВА, жидкие смеси тяжелых продуктов переработки нефтяных фракций, а также продуктыполукоксования горючих сланцев и каменных углей. используются в качестве топлив для стационарных (ГЭС и ТЭЦ) и транспортных (судовых) котельных установок, пламенных пром. и бытовых печей. Различают след. виды котельные топлива: нефтяные мазуты; сланцевые и угольные мазуты; тяжелые нефти. наиб. распространены нефтяные мазуты(см. табл.) - флотские (применяют в судовых паросиловых установках и малооборотных дизелях), топочные (используют в стационарных установках), мартеновские (применяют в сталеплавильных печах и др. нагреват. установках металлургич. предприятий). Флотские мазуты должны иметь т. заст. ниже миним. температуры морской воды; для этого остаточные продукты атмосферной и (или) вакуумной перегонки нефти смешивают с газойлевыми фракциями. Для улучшения условий сгорания мазутов в них вводят противонагарную и антикоррозионную присадку (0,2% по массе), содержащую преим. диалкилнафталины. Эксплуатац. свойства флотских мазутов обеспечивают применение их на судах, не оборудованных дополнит. системами топливоподготовки. Мартеновские мазуты обладают наилучшими по сравнению с др. нефтяными мазутами энергетич. свойствами; макс. теплопередача при плавке стали в печах достигается строгим нормированием коксуемости топлива. Па установках полукоксования

Котельные топлива

Версия для печати

 

Оно вырабатывается как многокомпонентное топливо  на основе остатков пе¬регонки нефти, термокрекинга и висбрекинга. Компонентами котельных топлив являются:

• мазут первичной перегонки (или гудрон выше 480 °С);
• крекинг-остаток термокрекинга и висбрекинга;
• тяжелые газойли каталитического крекинга, термокрекинга и коксования;
• отходы масляного производства (асфальты, экстракты, гачи);
• легкие газойли (250-360 °С) любого вторичного процесса.

Общая выработка  котельных топлив составляет в настоящее  время в России около 60 млн т/год.

Виды котельных  топлив: топочные мазуты, печные и технологические  экс¬портные топлива.

Топочные мазуты выпускаются по ГОСТ 1058-75. Они бывают:

• легкие (флотские) марок Ф-5 и Ф-12 (для судовых дизелей и котельных установок);
• средние марки М-40 (топочное и печное топливо общего назначения);
• тяжелые марки М-100 (топочное и печное общего назначения).

Печные топлива  выпускаются по ГОСТ 14298 марок МП, МП-1 и МПВА (для металлургических печей), различающихся по содержанию серы и коксуемости. Экспортные технологические топлива марок Э-2, Э-3, Э-4 и Э-5 маловязкие, с добавлением до 25 % дизельного топлива.

Основные требования к физико-химическим свойствам

Рассмотрим  основные физико-химические свойства котельных топлив. Вязкость - основной показатель, входящий в обозначение  марок. Вязкостью определяются:

• распыление топлива (т.е. полнота его сгорания);
• условия слива и налива при транспортировке топлива;
• схема топливных систем у потребителя (обогрев, перекачка, гидравличе¬ские сопротивления при транспортировке топлива по трубопроводам, эффективность работы форсунок).

От вязкости в значительной мере зависят скорость осаждения механических примесей при хранении, а также способность топлива отстаиваться от воды. В США для определения вязкости используют вискозиметр Сейболта уни¬версальный (для маловязких мазутов) и Сейболта - Фурола (для высоковязких мазутов), а в Англии - вискозиметр Редвуда. Между определенными в различ¬ных единицах значениями вязкости существует зависимость. В ряде спецификаций указывают вязкость, найденную эксперимен¬тально и пересчитанную в кинематическую. На практике часто используют вязкостно-температурные кривые. С повышением температуры различие в вязкости топлив существенно уменьша¬ется.

Для мазутов, как и для  всех темных нефтепродуктов, зависимость  вязкости от температуры приближенно  описывается уравнением Вальтера:

lglg(v*10-6 + 0,8) = A – B*lgT,

где v - кинематическая вязкость, мм2/с; А и В- коэффициенты; T - абсолютная температура, К.

Вязкость не является ад¬дитивным  свойством и при смешении различных  котель¬ных топлив ее следует опре¬делять  экспериментально. Нормы по вязкости при 50 °С состав¬ляют от 5 до 12°ВУ (36 и 89 мм2/с), а при 80 °С для М-40 и М-100 - 8 и 16 °ВУ (59 и 118 мм2/с). Экспортные топ¬лива - более маловязки и для них допускается вязкость ВУ80 не более 2-5 °ВУ.

Котельные и тяжелые мо¬торные  топлива являются структурированными систе¬мами, поэтому при сливно-наливных операциях для их характеристики помимо нью¬тоновской вязкости необхо¬димо учитывать реологиче¬ские свойства (напряжение сдвига и динамическую вяз¬кость, определяемую на вис¬козиметре 'Реотест'). Для всех остаточных топлив ха¬рактерна аномалия вязкости: после термической обработки или механического воздейст¬вия повторно определяемая вязкость при той же температуре оказывается ниже начальной.

Содержание серы - важнейший  показатель топлива, определяющий работу топок и печей.

Содержание серы в остаточном топливе зависит от класса перерабатываемой нефти (сернистая или высокосернистая) и определяется соотношением:

Sост = Sнеф (ρост / ρнеф  – 1)*1.25

где Sост и Sнеф - содержание серы в остатке и  нефти; ρост и ρнеф - относительные  плотности остатка и нефти.

Тяжелые топлива  не содержат меркаптановой серы, поэтому  продукты их сгорания менее коррозионно-активны, чем продукты сгорания светлых серни¬стых нефтепродуктов.

Вредное влияние  серы проявля¬ется в трех аспектах. Во-первых, это образующиеся при  ее сгорании оксиды S03 и S02. Наличие в  газах S03 повышает температуру начала конденсации влаги - точку росы. Она  повышается на 50-60 °С при повышении  содержания серы от 0 до 2 %. А поскольку темпера¬тура 'хвостовых' поверхностей котлов, печей и т.д. (воздухоподог¬ревателей, экономайзеров) равна точке росы дымовых газов, на этих поверхностях конденсируется серная кислота, которая вызывает усиленную коррозию.

Во-вторых, в металлургических печах оксиды серы реагируют с расплавленным металлом, ухудшая его качество (особенно легированного металла). В-третьих, оксиды серы, выброшенные в атмосферу, сильно загрязняют окружающую среду. По этим трем причинам в ряде зарубежных стран приняты ограничения по содержанию серы в мазутах до уровня 0,5-1,0 %. Обессеривание мазутов очень сложно технологически, особенно если учесть, что количества их очень велики, очистка же дымовых газов от оксидов серы - не менее сложный процесс и по¬этому он не внедряется. Ниже приведены нормы по содержанию серы в котельных топливах, полученных из разных нефтей:

• Из малосернистых нефтей…………….. 0,5-1,0
• Из сернистых нефтей………………….. 2,0
• Из высокосернистых нефтей………….. 3,5

Если учесть, что котельных топлив сжигается в год около 60 млн т, то выбросы S02 и S03 составляют около 2 млн т в год, а это грозит логической катастрофой для человечества.

Температура застывания, как и вязкость, характеризует  условия транспортировки, слива  и налива, перекачивания топлива и топливоподготовки. Нормы температуры застывания для разных марок топочных мазутов таковы (°С):

• Ф-5 …………… - 5
• Ф-12 ………….. – 8
• М-40 ………….. + 10
• М – 100 ……….. + 25
• МП …………… + 25
• МП-1 …………. + 30

Эта температура  зависит от качества перерабатываемой нефти и от способа получения топлива.

Большое влияние  на температуру застывания оказывает  температура нагрева, скорость охлаждения, наличие или отсутствие перемешивания.

Для снижения температуры  застывания применяют депрессорные присадки (Севилен), действие которых основано на том, что они модифицируют структу¬ру кристаллизирующегося парафина и тем самым препятствуют образованию прочной кристаллической решетки. Эффективность действия депрессорной при¬садки зависит прежде всего от содержания н-парафинов и их температуры плав¬ления: чем их больше, тем менее эффективен депрессатор.

Наибольшее  депрессорное действие оказывает присадка на асфальто-смолистые вещества, и  чем их больше, тем больше депрессорное действие присадки. Коксуемость котельных  топлив - это в первую очередь показатель коксоотложений у устья форсунок, в результате чего искажается форма факела и ухуд¬шается распыление и полнота горения топлива.

Нормируется только для легких топлив Ф-5 и Ф-12 (не более 6 %), а для тя¬желых котельных топлив М-4,0 и М-100 не нормируется вообще.

Для печных топлив наоборот: чем больше, тем лучше. Это связано не с рабо¬той форсунок (это здесь не главное), а с технологией  плавки металлов. Для плавки металла  должен быть интенсивный лучистый теплообмен от пламени к металлу, а значит, интенсивная светимость пламени. Светимость же пламени тем больше, чем выше в топливе содержание высокомолекулярной ароматики и асфальтенов, т.е. чем больше коксуемость топлива. Поэтому нормы для печных топлив - не 'не более', а 'не менее':

• МП-1…………………………. не менее 5 %
• МП и МПВА………………… не менее 8 %

Температура сгорания - одна из важнейших характеристик, от кото¬рой зависит расход топлива. Осо¬бенно важно это для судов, так как от теплоты сгорания топлива  зави¬сит дальность плавания. Теплота  сгорания зависит от элементного со¬става топлива и определяется отно¬шением Н:С и зольностью, а также содержанием серы.

Стандарты на топливо  устанав¬ливают следующие нормы  на тепло¬ту сгорания: не менее 41,5 МДж/кг (флотские), не менее 40,5 МДж/кг (тяжелые  малосернистые) и не менее 39,9 МДж/кг (тяжелые сернистые).

Плотность в  данном случае не является показателем  группового состава топлива, а определяет возможность расслоения с водой, попадающей при пароподогреве топлива  или при водном его транспорте. Поэтому норма по плотности для разных марок котельных топлив составляет (кг/м3, не более):

• Ф-5 ………………….. 955
• Ф-12 ………………… 960
• М-40 ………………… 965
• М-100 ……………….. 1015

Вредные примеси. Зола - минеральный остаток после  полного сжигания топлива. Ее содержание зависит от качества исходной нефти, технологии подго¬товки нефти (попадания деэмульгаторов), технологии получения компонентов котельного топлива (катализаторная пыль) и продуктов коррозии аппаратуры. Зола состоит из неорганических соединений, среди которых наиболее вредный компонент - это пентоксид ванадия (V205). вызывающий коррозию легирован¬ных труб котлов. Нормы по содержанию золы (%, не более):

• Ф-5 ………………….. 0,05
• Ф-12 ………………… 0,10
• М-40 ………………… 0,12
• М-100 ……………….. 0,14
• МП …………………... 0,30

Механические  примеси - это взвешенные в топливе инородные частицы (пыль, ржавчина и др.), а также карбиды, способные осложнить топливоподачу и нормальную работу форсунок. Нормы по этому показателю (%, не более):

• Ф-5 ………………….. 0,10
• Ф-12 ………………… 0,12
• М-40 ………………… 0,8
• М-100 ……………….. 1,5

Вода для судовых моторных топлив полезна, так как является элементом ВТЭ, а для котельных и печных топлив она вредна, поскольку уменьшает тепло¬ту сгорания, ухудшает стабильность горения и способствует образованию ки¬слот. Нормы содержания воды (%, не более):

• Ф-5 ………………….. 0,3
• Ф-12 ………………… 0,3
• М-40 ………………… 1,5
• М-100 ……………….. 1,5

При водном транспорте тяжелых топлив норма содержания воды увеличива¬ется до 2 % (Ф-5, Ф-12) и 5 % (М-40 и М-100).