Введение к работе
Актуальность темы. Важнейшей тенденцией развития российской нефтеперерабатывающей отрасли является повышение глубины переработки нефти и рост объема выпуска высококачественных нефтепродуктов, с одновременным увеличением глубины переработки до 80-85 % к 2020 году. По мере углубления переработки нефти доля прямогонного мазута в котельных топливах снижается, а доля гудрона и тяжелых остатков крекинг-процессов растет, следовательно, качество топочного мазута ухудшается.
Качество мазута оказывает существенное влияние на условия его транспортировки, хранения и сжигания, на объем выбросов вредных веществ в атмосферу, а также на работу основного и вспомогательного оборудования тепловых электростанций. Повышение качества жидкого топлива и интенсивности его сжигания связано с добавлением в топливо специальных веществ, улучшающих его эксплуатационные свойства - многофункциональных присадок.
Развитие энергетики напрямую связано с решением экологических проблем. К числу важнейших проблем, связанных со сжиганием органического топлива на ТЭС, в первую очередь относятся выбросы в окружающую природную среду. Энергетика сегодня поставляет в атмосферу 23,3 % суммарных выбросов от стационарных источников в России. Характерными для энергетической отрасли загрязняющими веществами являются диоксид серы, оксиды азота, углекислый и угарный газы.
Основной проблемой при эксплуатации мазутных хозяйств остаются значительные затраты энергии на подогрев при хранении мазута и подготовке его к сжиганию и на очистку дымовых газов. Согласно Энергетической стратегии РФ до 2030 года нереализованный потенциал организационного и технологического энергосбережения на момент ее разработки составил 40 % общего объема внутреннего энергопотребления. Часть этого потенциала вполне может быть покрыта за счет оптимизации эксплуатации мазутных хозяйств, повышения эффективности использования топлива.
Исходя из выше изложенного, очевидна актуальность комплексного решения проблем, возникающих при подготовке и сжигании топочных мазутов, повышения потенциала ресурсо- и энергосбережения мазутных хозяйств, повышения экологической безопасности котельных и тепловых электростанций.
Целью работы является разработка научно-технических основ комплексного использования мазутов с присадками на ТЭС и в котельных, разработка и внедрение на их основе практических мероприятий, направленных
на повышение эффективности процессов топливоподготовки, сжигания и снижения вредных выбросов.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:
Исследовать возможность использования обезвоженного карбонатного шлама ХВО в качестве присадки к мазуту:
- исследовать физико-химические свойства обезвоженного карбонатного
шлама ХВО и определить его дисперсность для использования в качестве
присадки к топочному мазуту;
исследовать эксплуатационные свойства топочного мазута марки Ml 00 в зависимости от содержания в нем присадки, обобщить полученные экспериментальные данные в виде расчетных уравнений;
на основе полученных экспериментальных данных выполнить анализ эффективности применения карбонатного шлама в качестве присадки к мазуту;
установить механизм влияния присадки на эксплуатационные свойства мазута;
разработать принципиальную схему дозирования и смешения присадки к мазуту;
рассчитать эффективность использования статических проточных смесителей с различными насадками для смешения мазута с присадками;
изучить влияние карбонатной присадки на КПД энергетических котлов;
рассчитать предотвращенный экологический ущерб от снижения оксидов серы в дымовых газах;
оценить технико-экономическую эффективность внедрения дозировочного комплекса присадки на базе одноступенчатой схемы мазутного хозяйства;
- выбрать рациональный способ очистки дымовых газов котельных и
тепловых электростанций по данным филиала ОАО «Генерирующая
компания» Казанская ТЭЦ-1 от углекислого газа, от оксидов азота и оксидов
серы;
выбрать режимные и конструктивные характеристики аппарата,
обеспечивающего высокую степень извлечения нежелательных примесей из
дымовых газов по данным, предоставленным филиалом ОАО
«Генерирующая компания» Казанская ТЭЦ-1;
оценить предотвращенный экологический ущерб от выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.
Объект исследования:
Системы подготовки мазута к сжиганию и очистки газовых выбросов на энергетических объектах, на примере ОАО филиала «Генерирующая компания» Казанская ТЭЦ-1.
Предмет исследования:
Факторы, влияющие на повышение эффективности комплексного использования мазутов на тепловых электрических станциях и котельных.
Методы исследования:
Поставленные задачи решались путем сочетания теоретических и экспериментальных методов исследования. Исследования состава и физико-химических свойств обезвоженного карбонатного шлама и эксплуатационных свойств топочного мазута проведены в соответствии с государственными стандартами в аккредитованных химических лабораториях, что подтверждает достоверность и обоснованность экспериментальных данных.
При проведении исследований по изучению физико-химических свойств карбонатного шлама и возможности его использования в качестве присадки к топочным мазутам использованы методы химического, гравиметрического, элементного анализов.
Экспериментальные исследования проведены автором диссертационной работы совместно с аспирантами в лаборатории «Технология топлив и масел» кафедры «Технология воды и топлива» ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», химической службы ООО «ИЦ Энергопрогресс», Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН, филиала ОАО «Генерирующая компания» Казанская ТЭЦ-1, филиала ОАО «ТГК-5 Марий Эл и Чувашии».
Для расчета эффективности перемешивания присадки с мазутом, для расчета КПД энергетического котла ТГМ-84«Б» по прямому балансу использовано программное приложение с использованием среды разработки Microsoft Visual Studio.
Научная новизна:
Разработаны научно-технические основы и комплекс мероприятий, направленные на повышение эффективности использования мазута с присадками на тепловых электростанциях и котельных.
Впервые на основе анализа проведенных экспериментальных исследований выявлен механизм действия карбонатной присадки на эксплуатационные свойства мазута, а именно:
установлено, что в качестве присадки к мазуту целесообразно использовать обезвоженный карбонатный шлам водоподготовки, с размером частиц менее 90 мкм и суммарным содержанием углекислого кальция и углекислого магния не менее 85 %;
выявлено, что предложенная присадка в виде обезвоженного карбонатного шлама водоподготовки позволяет улучшить эксплуатационные свойства
топочных мазутов (снизить вязкость, температуру застывания, содержание серы, коррозионную активность, улучшить структуру отложений) при концентрации присадки в мазуте 0,1 - 0,5 % (масс). Полученные экспериментальные данные обобщены в виде расчетных уравнений. На основе проведенных расчетов массообменных аппаратов:
разработана конструкция массообменной колонны для комплексной очистки дымовых газов при сжигании мазутов, которая обеспечивает высокую степень очистки газов от оксидов азота, оксидов серы и углекислого газа, имеет небольшие геометрические размеры;
установлено, что при использовании нерегулярных насадок Инжехим абсорбер имеет лучшие, по сравнению с кольцами Рашига, массообменно-гидродинамические характеристики и меньшие габариты;
- установлено, что данный аппарат целесообразно устанавливать для очистки
дымовых газов при пленочном режиме работы на газомазутных котельных
средней мощности и на тепловых электростанциях с расходом дымовых
газов менее 25 кг/с.
Достоверность и обоснованность полученных экспериментальных данных в работе подтверждается применением действующих аттестованных методик и государственных стандартов, а также использованием аттестованных средств измерений с высоким классом точности, прошедших периодическую поверку.
Расчетно-аналитические исследования проводились с использованием методов регрессионного анализа, математической статистики, прикладных пакетов программ Microsoft Excel и Advanced Grapher.
Результаты работы подтверждены производственными испытаниями на Новочебоксарской ТЭЦ-3.
Практическая ценность работы и внедрение ее результатов
На основе сформулированных научно-технических положений:
Предложено в качестве присадки к топочному мазуту использовать обезвоженный карбонатный шлам водоподготовки ТЭС, которая не требует затрат на производство и транспортировку.
Разработаны технические условия на карбонатную присадку.
Разработаны рекомендации для ТЭС и котельных при использовании мазута с присадками.
Разработана технологическая схема дозирования присадки к мазуту, выбраны режимные и конструктивные характеристики смесителя для однородного распределения присадки в мазуте, даны рекомендации по модернизации одноступенчатой схемы мазутного хозяйства при внедрении дозировочного комплекса.
Оценена технико-экономическая эффективность применения присадки к топочному мазуту марки Ml 00. Срок окупаемости внедрения составляет 4 месяца.
Получен акт о целесообразности внедрения указанной присадки на базе одноступенчатой схемы мазутного хозяйства филиала ОАО «Генерирующая компания Казанская ТЭЦ-1», а также филиала ОАО «ТГК-5 Марий Эл и Чувашии».
Предложено для очистки дымовых газов на примере Казанской ТЭЦ-1 при использовании в качестве основного и резервного котельного топлива -мазута использовать аппараты насадочного типа, которые более эффективны полых вихревых аппаратов при относительно небольших расходах дымовых газов (до 25 кг/с).
Основные положения, выносимые на защиту
Экспериментальные данные физико-химических показателей обезвоженного карбонатного шлама, образующегося при подготовке питательной воды на теплоэлектростанциях.
Результаты экспериментальных исследований влияния
многофункциональной присадки в виде обезвоженного карбонатного шлама на физико-химические и эксплуатационные свойства топочного мазута марки Ml 00 и механизм действия данной присадки на свойства топочного мазута.
Результаты расчета эффективности использования, режимные и конструктивные характеристики смесителя для однородного распределения присадки в мазуте.
Разработанная принципиальная технологическая схема дозирования присадки к топочному мазуту.
Результаты расчета и конструкция насадочного абсорбера очистки газовых выбросов тепловых электростанций и котельных.
Личный вклад автора состоит в выдвижении идей, научном обосновании и непосредственном участии в проведении экспериментальных исследований, анализе полученных результатов и их обобщении, разработке оборудования и технологий, их патентовании, разработке рабочей программы проведения режимно-наладочных испытаний на Новочебоксарской ТЭЦ-3. Апробация работы
Основные положения диссертационной работы были доложены на: XX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Ярославль, 2007), XIII Международной, научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2007 ), школе-семинаре молодых
ученых и специалистов акад. РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, 2008), IV научной конференции «Промышленная экология и безопасность» (Казань, 2009 г.), VI Международной научно-практической конференции «Новые горючие и смазочные материалы с присадками» (Санкт-Петербург, 2010),Х1 Международном симпозиуме «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение» (Казань, 2010), XXIV Международная научная конференция ММТТ-24 (Саратов, 2011), VI Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности энергетического оборудования» (Иваново, 2011), VI Международной научно-технической конференции «Глубокая переработка нефтяных дисперсных систем» (Москва, 2011), VII Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности энергетического оборудования» (Санкт-Петербург, 2012)и др.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 34 работы, из них 12 в журналах из перечня ВАК Минобрнауки России, 4 статьи в других изданиях, 2 монографии, 2 патента и тезисы докладов.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованных источников, насчитывающего 244 библиографических ссылок. Она изложена на 339 страницах, содержит 36 рисунков и 59 таблиц, 7 приложений. В приложениях приведены справки и акты об испытаниях и внедрении разработанных мероприятий.
