Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор .11
1.1 Проблемы использования мазутов на тепловых электрических станциях 11
1.1.1 Основные технические и экологические требования к энергетическим объектам .11
1.1.2 Общая характеристика мазутов 14
1.1.3 Сернистые соединения мазутов 19
1.2 Вредные выбросы при сжигании органического топлива .21
1.2.1 Характеристика газовых выбросов при сжигании мазута 21
1.2.2 Способы уменьшения содержания вредных компонентов в дымовых газах при сжигании мазута .23
1.3 Способы обессеривания мазута .25
1.3.1 Пиролиз мазута .25
1.3.2 Газификация мазута .27
1.3.3 Гидроочистка мазута 27
1.3.4 Присадки к мазутам для улучшения их эксплуатационных свойств 30
ГЛАВА 2. Экспериментальная часть и обсуждение результатов
2.1 Сернистые соединения мазута .35
2.2 Технологическая схема разделения сераорганических соединений мазута на узкие фракции для определения группового состава 54
2.3 Углеводородный состав мазута .56
ГЛАВА 3. Разработка электродугового метода обессеривания, объекты и методы исследования
3.1 Объекты исследования 59
3.2 Конструирование и создание пилотной установки 60
3.2.1 Описание технологического процесса в электродуговом реакторе 62
3.2.2 Исследование процесса обессеривания мазута в электродуговом реакторе 69
3.2.3 Экспериментальные исследования влияния параметров электродугового реактора на степень обессеривания мазута .71
3.2.3.1 Влияние диаметра подвижных электродов .71
3.2.3.2 Зависимость степени обессеривания мазута от конструкционных параметров электродугового реактора 73
3.3 Статистическая модель процесса обессеривания мазута в электродуговом реакторе в зависимости от его конструкционных параметров .78
ГЛАВА 4. Разработка технологического режима работы электродугового реактора 84
4.1 Определение основных технологических параметров работы электродугового реактора .84
4.1.1 Влияние силы электрического тока 84
4.1.2 Влияние напряжения электрического тока
4.2 Материальный баланс обессеривания мазута в электродуговом реакторе ...87
4.3 Расчет количества выбросов сернистого ангидрида 93
4.4 Исследование влияния глубины очистки мазутов от сераорганических соединений на их эксплуатационные свойства 96
ГЛАВА 5. Применение электро дугового метода обессеривания мазута в процессе топливоподготовки на тепловых электрических станциях 109
5.1 Установка электродугового реактора в систему топливоподготовки тепловых электрических станций .109
5.2 Автоматизированный комплекс очистки мазута от сераорганических соединений на основе электродуговой технологии .111
Основные результаты и выводы 115
Список литературы .116
- Основные технические и экологические требования к энергетическим объектам
- Технологическая схема разделения сераорганических соединений мазута на узкие фракции для определения группового состава
- Исследование процесса обессеривания мазута в электродуговом реакторе
- Материальный баланс обессеривания мазута в электродуговом реакторе
Основные технические и экологические требования к энергетическим объектам
Производство электрической и тепловой энергии на тепловых электрических станциях осуществляется путем сжигания органического топлива в топках энергетических котлов. По масштабам материального и энергетического обмена с окружающей средой это производство является уникальным. Потребляя огромное количество углеводородного топлива и кислорода воздуха, энергетическое производство выдает товарный продукт в виде электрической и тепловой энергии при практически полном превращении затраченных природных ресурсов в отходы, выбрасываемые в окружающую среду в виде газообразных, жидких и твердых продуктов сгорания. Увеличение количества использованного органического топлива приводит к нарушению баланса установившихся в биосфере круговых процессов по вредным химическим соединениям, какими являются диоксид углерода, оксиды серы и азота [1].
При производстве электрической и тепловой энергии на тепловых электрических станциях, огромная часть энергии исходного топлива (около 60 %) рассеивается в окружающую среду в виде горячих дымовых газов и подогретой воды. Следует иметь в виду, что выработанная электроэнергия в процессе передачи и ее использования также превращается в теплоту и рассеивается в окружающую среду. В результате такого теплообмена происходит тепловое загрязнение воздушного и водного бассейнов [2].
В качестве жидкого котельного топлива на тепловых электрических станциях используется мазут, при сжигании которого образуется значительное количество диоксида углерода. Так, при сгорании 1 т твёрдого или жидкого топлива в атмосферу выделяется в среднем соответственно 2,76 т и 2,28 т диоксида углерода [1]. Молекула диоксида углерода, обладая высокой химической устойчивостью, сохраняется в атмосфере Земли в течении 120 лет в неизменном состоянии и способствует возникновению «парникового эффекта» [1, 2]. Концентрация диоксида углерода за последнее столетие выросла на 30 % [2], а к 2020 году, она удвоится [3]. Зарубежные учёные [4-8] предлагают произвести замену угля и мазута природным газом. Однако в этом случае эффект по снижению выбросов углекислого газа не превысит 30-40 % [4, 5], и метод ограничен по масштабам применения.
В литературных источниках [5, 7] предлагается проводить аккумулирование диоксида углерода извлечением его из дымовых газов тепловых электрических станций (ТЭС) и последующим использованием в различных технологических процессах. [8] Данный способ рассматривается как наиболее эффективным, для защиты окружающей среды [7], поскольку позволяет сократить эмиссию диоксида углерода на 80-99 % [6].
Для извлечения диоксида углерода из дымовых газов тепловых электрических станций в основном используются абсорбционные методы [9-13]. В процессах абсорбции применяются растворители (пропиленкарбонат, диметиловый эфир, полиэтиленгликоль), которые химически стойкие, не склонные к пенообразованию, коррозионно-инертны и не вызывают эрозию аппаратуры. При этом наряду с диоксидом углерода эффективно поглощаются сероводород и диоксид азота [14-16]. Абсорбционные методы очистки дымовых газов ТЭС наряду с высокой надёжностью имеют существенные недостатки: - громоздкость газоочистного оборудования; - высокая энергоёмкость процесса, так как для регенерации абсорбента затрачивается до 20 % энергии вырабатываемой котельной установкой. Наряду с диоксидом углерода, выбрасываются в атмосферу диоксид серы, оксид азота, частички золы, шлака и сажи. Выбросы тепловых электрических станций мира с продуктами сгорания составляют примерно 150 млн. т./год диоксида серы, 300 млн. т./год диоксида углерода и более 50 млн. т./год оксида азота, причем количество выбросов экологически вредных веществ в биосферу неуклонно растет с увеличением производительности установок [17-19]. Количество вредных выбросов в приземном слое ряда городов и промышленных районов часто превышает предельно допустимую концентрацию вредных веществ, что приводит к природоохранным материальным убыткам. Кроме того, высокая концентрация химически активных соединений оказывает вредное воздействие на здоровье людей, развитие флоры и фауны [20-22].
Наиболее дешевым методом обеспечения предельных норм концентрации диоксида серы, оксида азота, диоксида углерода, золы и шлака в приземном слое является расположение энергетических установок в малозагазованных районах и применение сверхвысоких дымовых труб. При этом следует отметить, что высокие трубы имеют большую стоимость. Мероприятия, связанные с защитой окружающей среды от вредных выбросов токсичных соединений, связаны со значительным удорожанием одного киловатта установленной мощности, составляющей 2-5 % на оборудование для улавливания твердых частиц и сажи (без стоимости золоуловителя) и примерно 25 % на установки, служащие для очистки продуктов сгорания от диоксида серы [23, 24].
В разрабатываемой энергетической стратегии России большое значение придается оздоровлению воздушного бассейна, решению проблемы техногенного воздействия энергетического комплекса на окружающую среду, разработке и внедрению природоохранных технологий на электростанциях. Разработка современных технологических процессов сжигания органического топлива в топках энергетических котлов должна быть направлена на снижение концентрации токсичных ингредиентов и полного прекращения выбросов тепловыми электростанциями. Реализация намеченных природоохранных мероприятий должна обеспечить к 2020 г. сокращение токсичных выбросов в атмосферу на 30-40 % [1-3]. Решение поставленной проблемы может быть достигнуто в результате реализации следующих важнейших мероприятий: - рациональное размещение предприятий промышленно-энергетического комплекса с учетом экологической обстановки в регионе; оптимизации параметров использования топливно-энергетического комплекса при наращивании мощностей в энергетике; - организации постоянно действующего мониторинга экологической обстановки на тепловых электрических станциях; - разработке и внедрению новых модернизированных технологических процессов и схем, позволяющих уменьшить концентрацию вредных соединений в продуктах сгорания органического топлива; - повышению эффективности производства и использования тепловой и электрической энергии.
Таким образом, одним из главных направлений решения экологических проблем в энергетическом комплексе является разработка экологически чистых технологий сжигания органического топлива в топках котлов. При этом передовая технология предусматривает освоение современного оборудования, технических средств производства энергии, повышения безопасности энергетических объектов, снижения негативного воздействия токсичных выбросов тепловых электрических станций на окружающую природную среду.
Технологическая схема разделения сераорганических соединений мазута на узкие фракции для определения группового состава
Анализ группового состава фракций с ґкип =350-500 С мазутов М40 и М100 (таблица 3.4, 3.5) показал снижение содержания парафиновых углеводородов, соответственно, в 2,5 раза (мазут М40) и в 1,9 раза (мазут М100), что обеспечивает снижение их вязкости, плотности и температуры застывания. Из данных таблиц 3.2-3.5 следует, что в процессе обессеривания мазутов М40 и M100 в электродуговом реакторе изменяются следующие показатели: содержание сераорганических соединений, групповой состав. Результаты исследования показали, что наиболее сильному изменению подвергались сераорганические соединения, являющиеся основным структурообразующим агентом мазута. Сераорганические соединения в силу наличия неподеленной пары электронов обладают способностью к взаимодействию с другими классами углеводородов и являются сильным комплексообразователем, обеспечивающим структуризацию системы мазута [54, 56, 175, 179].
Термолиз в микродуге сераорганических и углеводородных соединений может быть отнесен к нанотехнологическим процессам, поскольку протекает в точечном режиме мгновенного образования и исчезновения микроэлектродуг. Выделившиеся в процессе теплота поглощается движущейся массой мазута, температура которого повышается от 90 С на входе до 95 С на выходе из электродугового реактора, т.е. на 5 С. Поэтому можно считать, что при обработке мазута в электродуговом реакторе система остается условно холодной.
На рисунке 3.2 представлена электрическая схема подключения неподвижных электродов 16, 18 к преобразователю электрического тока 10. В электродуговом реакторе 1, подвергают десульфированию сернистые топлива в межэлектродном промежутке в электродуговом разряде подвижных насыпных графитовых электродов 11, расположенных над перфорированной изолирующей решеткой 13 (рисунок 3.3) из полимерного материала, обладающего диэлектрическими свойствами и высокой термостойкостью. При этом неподвижные электроды 16, 18 электрически соединены между собой Рис. 3.2 Электрическая схема подключения неподвижных электродов и расположены вертикально на расстоянии достаточном для свободного перемещения графитового электрода.
Реактор содержит четыре положительных, четыре отрицательных и четыре неподключенных неподвижных электрода из нержавеющей стали, верхние концы которых закреплены непосредственно в его крышке 19, показанной на рисунке 3.4, а их нижние концы находятся над слоем подвижных графитовых частиц 11, выполняющих функцию подвижных электродов. Такой порядок размещения электродов стабилизирует микроразряды, увеличивая их в объеме, поскольку одновременно возникает множество центров параллельных и перекрестных микродуг в промежутках между соседними электродами. Более того, плотность электрических разрядов в объеме мазута увеличивается за счет образования множества электродуг не только около нижних концов токопроводящих электродов 16, 18, но и при контакте их по всей рабочей длине с взвешенными в жидкой фазе графитовыми твердыми частицами подвижными электродами.
Значительная часть графитовых подвижных электродов 11 постоянно находится во взвешенном состоянии под действием восходящего потока мазута, поступающего в реактор снизу через изолирующую перфорированную решетку 13, которая имеет отверстия достаточные для прохождения мазута, но меньшие размером по сравнению с графитовыми шариками 11, что исключает попадание шариков в трубопровод при остановке реактора и изолирует его основание 12 от возможного пробоя электрического тока на корпус. Установка четырех промежуточных контактирующих неподвижных электродов 17, неподключенных к токоподводу, сопутствует равномерному распределению электрических дуг по контурам в искровых промежутках токопроводящих электродов 16, 18. Наличие постоянных контактирующих электродов 17, между противостоящими основными токоподводящими электродами 16, 18 повышает кратность контактирования с подвижными электродами - твердыми графитовыми частицами 11, а следовательно возрастает надежность дискретной разрядки в системе.
При прохождении мазута через электродуговой реактор 1, происходит его разделение на две части - жидкую и газообразную. Жидкая составляющая представляет собой обессеренный мазут, который направляется через штуцер подачи обессеренного топлива 21 в сливной бак 8. В случае неконтролируемого расхода топлива предусмотрен переливной штуцер 20, позволяющий эффективно регулировать процесс прохождении мазута через электродуговой реактор 1. Газообразная часть имеет низкую плотность и направляется в расположенный в крышке реактора 19 штуцер для выхода газа 22, далее в холодильник 5, где происходит охлаждение газа, после чего проходит первичную очистку в барботере 6, и после газового счетчика 7, направляется на вторичную очистку в абсорбер 4.
Конструкция электродугового реактора 1, позволяет сократить время контактирования мазута в области высоких температур, обеспечивает необходимые условия тепломассообмена для осуществления термолиза без локального перегрева при оптимальном режиме обессеривания мазута. Высокая стабильность электрических дуг обеспечивает максимальную эффективность процесса. Реактор может работать в широком диапазоне нагрузок по жидкой фазе при эффективном тепломассообмене и оптимальном режиме обессеривания мазута. Простота и надежность конструкции реактора, высокая турбулизация жидкой среды, отсутствие ограничений размеров и производительности реактора открывают широкие возможности его использования для осуществления гетерофазного процесса в системе жидкость-твердое тело, в частности, для обессеривания жидких топлив котлов тепловых электрических станций, а так же промышленно-отопительных котельных.
Исследование процесса обессеривания мазута в электродуговом реакторе
Для получения сопоставимых результатов, мазуты М40 и Ml00 были взяты примерно с одинаковым содержанием общей серы 3,05 и 3,5 % мас. В таблицах 4.1 и 4.2 представлены материальные балансы мазутов М40 и М100 прошедших обработку в электродуговом реакторе. Результаты измерения показали, что мазут М40 отличается более высоким выходом газообразных продуктов (8,1 % мае.) и более низким содержанием смолистых веществ (0,25 % мае.) по сравнению с мазутом Ml00 для которого выход газообразных продуктов составил 7,4 % мае. при содержании смолистых веществ равном 0,50 % мае.
Состав образовавшегося газа определяли при помощи переносного газоанализатора кислорода, горючих и токсичных газов «ОКА-92МТ». Количество газа, выделяемого в процессе электродугового термолиза мазута определяли при помощи газового счетчика «Вектор-С-1,6». При обессеривании мазута М40 и М100, выделяется 0,675 м3 и 0,617 м3 газа на 10 кг мазута соответственно. Из уравнения состояния идеального газа была найдена плотность газовой смеси, которая приблизительно составила 1,2 кг/м3.
Материальный баланс по распределению общей серы в полученных продуктах показал, что наибольшее ее количество сосредоточено в газе в виде сероводорода. Содержание общей серы в газообразных продуктах термолиза мазутов М40 и М100 практически соизмеримо. Смолистые вещества мазута М100 содержат в 1,1 раза больше серы, чем мазута М40. Сопоставление материальных балансов мазута М40 (таблица 4.1) и мазута М100 (таблица 4.2) показало, что, несмотря на различные физико-химические характеристики этих мазутов, метод электродугового обессеривания даёт практически близкие результаты. В таблице 4.3 приведена характеристика газообразных продуктов процесса обессеривания мазутов в электродуговом реакторе при оптимальном технологическом режиме, т.е. высокой степени удаления сераорганических соединений равной 88,0-90,2 % мае.
В результате обессеривания сернистых мазутов М40 и Ml 00 в электродуговом реакторе образуются газообразные продукты практически стабильного состава (таблица 4.3). Повышенное содержание образующегося в газовой фазе водорода 38,67-45,0 % объемн. и сероводорода 34,52-41,49 % объемн. указывает на его высокую калорийность.
Очистку газов от сероводорода предлагается проводить известными методами, среди которых наиболее эффективным для очистки газов от сероводорода является хемосорбционный [179]. В качестве абсорбента используют 13-15 %-ный раствор моноэтаноламина. Анализ экспериментальных данных таблиц 4.1 и 4.2 (см. стр. 87-89), показывает, что сернистые соединения мазута М40 и Ml00 являются менее термостойкими по сравнению с его углеводородной частью, вследствие чего около 88 % всей серы мазута переходит в газовую фазу, при этом содержание общей серы в мазуте М40 снижается от 3,05 % мае. до 0,3 % мас, а в мазуте М100 - от 3,5 % мае. до 0,42 % мае. Таким образом, в результате осуществления процесса обессеривания топочного мазута в электродуговом реакторе происходит интенсивное разложение сераорганических соединений.
Объем сероводорода в образовавшихся газах при обессеривании мазута М40 и М100 до абсорбера составляет 0,233 и 0,256 м3 соответственно. При применении традиционных абсорбционных методов очистки газов от сераорганических соединений их содержание снижается до 0,03 %, что указывает на возможность использования такого газа в топках энергетических котлов ТЭС или отопительных котельных. Теплоту сгорания выделившихся газов определяли по ГОСТ 10062-75 (сжиганием в калориметрической бомбе) и расчетным методом (ГОСТ 22667-82) по формуле теплота сгорания соответствующих газов. Теплота сгорания образовавшихся газов в процессе сераочистки мазута М40 (М100) согласно ГОСТ 10062-75 равна 27,1 МДж/м3 (26,9 МДж/м3) и 26,77 МДж/м3 (26,75 МДж/м3) по ГОСТ 22667-82. Газы, полученные в процессе электродугового обессеривания мазута, характеризуются высокой калорийностью и могут использоваться, как энергетическое топливо. На основе материального баланса, определяется расход обессеренного мазута на форсунки и количество образовавшегося газа. По окончании процесса обессеривания в электродуговом реакторе на его решетке остаются смолы - это вещества темного цвета, в которых определить коэффициент преломления не представляется возможным.
Материальный баланс обессеривания мазута в электродуговом реакторе
В процессе работы электродугового реактора (модуль 5) образуется газ, который содержит до 42 %объемн. сероводорода (таблица 4.3 см. стр. 90). Сероводород является ядовитым токсичным загрязнителем и помимо установки электродугового реактора (модуль 5) потребуется установка системы очистки газа (модуль 6). Однако, очистка газов от сероводорода известными методами, среди которых наиболее эффективным является хемосорбционный, в рамках малых ТЭС не представляется возможной из-за размера капитальных вложений в строительство газоочистных сооружений. Поэтому наиболее эффективным является внедрение электродуговой технологии в систему топливоподготовки таких ТЭС, которые имеют в непосредственной близости химические комбинаты и нефтеперерабатывающие заводы, где уже имеются установки позволяющие производить сероводородную очистку газа. Так, например, в непосредственной близости от ООО «Нижнекамская ТЭЦ» находится одно из крупнейших нефтехимических предприятий - ОАО «Нижнекамскнефтехим».
В процессе апробации работы, на запрос о получении возможности внедрения электродуговой технологии очистки мазута в цикл топливоподготовки Казанской ТЭЦ-3, от главного инженера станции получен положительный отзыв. При участии руководителя цеха топливоподготовки Казанской ТЭЦ-3 составлено техническое задание на проект промышленного образца электродугового реактора со следующими исходными данными:
Таким образом, установлено, что экспериментальная установка имеет производительность равную 47,59 м3/ч, при скорости потока нагретого мазута до температуры 90-125 С, равной 1,65 м/с.
Автоматизированный комплекс очистки мазута от сераорганических соединений на основе электродуговой технологии Технологическая схема обессеривания мазута, приведенная на рисунке 5.2, включает три бака, три шестеренчатых насоса марки НМШ 5-25-2,5/6 и электродуговой реактор. БакІ заполняется мазутом, поступающим из линии рециркуляции мазутохранилища. Баки II и III заполняются очищенным мазутом и являются расходными для подачи последнего на форсунки пиковых котлов, либо в линию рециркуляции. Технологический процесс протекает следующим образом. Мазут из линии рециркуляции, через задвижку с сервоприводом поступает в бак I, после чего насосом Н-1 подаётся в электродуговой реактор Р. Очищенный мазут поступает в баки обессеренного мазута II и III, из которого насосами Н-2 и Н-3 направляется обратно в линию рециркуляции.
В баках II и III установлены уровнемеры, служащие датчиками для включения и выключения насосов подачи мазута. По достижении установленного уровня мазута в баке II, включается подача мазута через задвижку с сервоприводом на бак III. По заполнению бака III мазутом, подача последнего прекращается, после чего выключается насос Н-1 и закрывается задвижка на вводе в бак I. Для измерения температуры мазута, на трубопроводе установлен прибор для измерения температуры бесшкальный с дистанционной передачей показаний (поз. 1-1). Преобразователь термоЭДС, преобразует сигнал в унифицированный токовый 0-5 мА. Для показания и регистрации значений температур, на щите установлен программируемый логический контроллер «Овен ПЛК100», имеющий входной сигнал 0-5 мА. Построение системы управления и диспетчеризации на базе «Овен ПЛК100» возможно как с помощью проводных средств - используя встроенные интерфейсы Ethernet, RS-232, RS-485, так и с помощью беспроводных средств - используя радио, GSM, ADSL модемы.
Давление мазута регистрирует прибор для измерения давления бесшкальный с дистанционной передачей показаний (дифманометр бесшкальный с электропередачей), установленный по месту (поз. 2-1), сигнал с которого преобразуется в унифицированный 0-5 мА. Далее этот сигнал поступает на контроллер, имеющий входной сигнал 0-5 мА.
Для регулирования уровня мазута в баках, по месту установлен прибор для измерения уровня с контактным устройством бесшкальный с дистанционной передачей показаний (уровнемер бесшкальный с электропередачей), установленный по месту (поз. 3-1, 4-1), сигнал с которого преобразуется в унифицированный 0-5 мА. Далее этот сигнал поступает на контроллер, имеющий входной сигнал 0-5 мА. Регулирующее воздействие с контроллера поступает на бесконтактный реверсивный пускатель (поз. 3-4, 3-6, 4-6), который управляет исполнительным механизмом МЭО (поз. 3-5, 3-7, 4-7). МЭО открывает или закрывает задвижку на трубопроводе мазута. Одновременно регулирующее воздействие с контроллера поступает на магнитный пускатель (поз. 3-8, 4-4), который включает (выключает) электродвигатель насоса (поз. 3-9, 4-5).
Для измерения содержания общей серы в мазуте после электродугового реактора, установлен анализатор серы «Спектроскан S» (поз. 5-1). Анализ количества общей серы происходит периодически. Спецификация на приборы представлена в приложении 3.
Экономическая эффективность внедрения электродугового реактора в цикл топливоподготовки Казанской ТЭЦ-3 рассчитана методом чистого дисконтированного дохода (ЧДД) [174, 176] и приведена в приложении 4. В данных расчетах учитывались такие параметры, как стоимость реактора, напорного бака, насосов и абсорбера. Полная стоимость системы очистки газа, включающая регенерацию абсорбента и выделение элементной серы не учитывалась ввиду того, что данное исследование не являлось целью настоящей работы. Экономический эффект от внедрения электродуговой технологии в систему топливоподготовки Казанской ТЭЦ-3 составил порядка 400 млн. руб.
