Применение карбонатного шлама тепловых электростанций в качестве присадки к мазуту

Применение карбонатного шлама ХВО тепловых электростанций в качестве присадки к мазуту

К.х.н. Э. Р. Зверева Качество топочного мазута, применяемого в котельных и на тепловых электростанциях, оказывает существенное влияние на условия его транспортировки, хранения и сжигания, на объем выбросов вредных веществ в атмосферу, а также на работу основного и вспомогательного котельного оборудования. Потребление высокосернистых вязких мазутов приводит к выбросу большого количества токсичных оксидов серы и азота, и канцерогенных полициклоаренов, в первую очередь, бенз (а)пирена и пентаоксида ванадия. В результате образования оксидов серы, повышается точка росы уходящих топочных газов, что приводит к образованию серной кислоты и, как следствие, к частым ремонтам и замене хвостовых частей котельных агрегатов изза их коррозии.

Важнейшей тенденцией развития не только мировой, но и российской нефтеперерабатывающей отрасли является повышение глубины переработки нефти и рост объема выпуска высококачественных нефтепродуктов. Однако, по мере углубления переработки нефти доля прямогонного мазута в котельном топливе снижается, а доля гудрона и тяжелых остатков крекинг-процессов растет, т. е. качество топочного мазута ухудшается.

Другой, не менее важной проблемой теплоэнергетики, является обработка, хранение и утилизация отходов и шламов. Отвалы золошлаковых материалов занимают огромные площади, а их содержание требует значимых эксплуатационных издержек, которые влияют на повышение себестоимости производства энергоносителей. Они являются источником загрязнения окружающей среды. По мере роста количества золошлаковых материалов растет и площадь территорий, отводимых под золоотвалы, что приводит к изъятию их из промышленного и сельскохозяйственного производства.

Большое количество карбонатного шлама (продукта водоумягчения природных вод известкованием и коагуляцией) образуется в результате работы систем химводоочистки (ХВО) на тепловых электростанциях. Карбонатный шлам как продукт, полученный химическим осаждением, обладает комплексом физико-химических свойств: определенным потенциалом ионизации, поверхностной активностью, высокой дисперсностью и т. д. шлам электростанция мазут каучук Карбонатный шлам уже используется в качестве модифицирующих добавок к каучукам, сырья для производства вяжущих веществ в строительной индустрии, реагента для очистки маслоэмульсионных сточных вод, известковой муки в сельском хозяйстве, наполнителя для асфальтобетонов и т. д. В области энергетики карбонатный шлам до настоящего времени полезно не использовался.

Традиционно шламы ХВО складируются и временно накапливаются в шламоотвалах. Учитывая значительное количество накопленных шламов, безопасность, доступность и их дешевизну, они имеют хорошую перспективу для широкого использования с целью ресурсосбережения в энергетической отрасли, в частности, в качестве присадки к высокосернистым топочным мазутам.

Испытание присадки Использование карбонатного шлама возможно только после обезвоживания или сушки при постоянной температуре 120−130 ^ОС. Высушенный шлам представляет собой сыпучий порошок от серого до бурого цвета с влажностью не более 15% и массовой долей карбонатов кальция и магния — 80−88%. Состав шламов, образующихся при известковании и коагуляции природных вод, зависит от состава обрабатываемой воды и режима обработки, однако во всех случаях основным компонентом является карбонат кальция (75−85%), а также гидрооксиды магния и железа (по 4−8% каждого компонента) и кремнекислые и органические соединения [1, 2].

Обезвоженный карбонатный шлам водоподготовки Казанской ТЭЦ-1 был испытан в качестве присадки к высокосернистому топочному мазуту марки М100 Нижнекамского НПЗ, используемого на ТЭЦ в качестве аварийного и резервного топлива. При добавлении присадки в топочный мазут количественного изменения по компонентам не происходит. Однако соединения присадки сорбируются на поверхности парафинов и оказывают положительное действие на реологические свойства мазута. Парафины при понижении температуры легко кристаллизуются и образуют пространственную структуру, в результате чего топливо теряет подвижность. Присадка же препятствует росту зарождающихся кристаллов, в результате чего снижаются вязкость и температура застывания топочного мазута. В связи с этим уменьшаются энергозатраты на подогрев мазута и на его перекачку по трубопроводам.

При сжигании топочного мазута в калориметре-интеграторе («калориметрической бомбе») было установлено, что происходит снижение содержания серы и теплоты сгорания топочного мазута по мере увеличения концентрации присадки в мазуте. Однако учитывая, что допустимое расхождение между параллельными опытами по ГОСТ 21 261–91 «Нефтепродукты. Метод определения высшей теплоты сгорания и вычисление низшей теплоты сгорания» составляет 130 кДж/кг (31 ккал/кг), можно считать, что калорийность мазута не изменяется при добавлении в него присадки в количестве до 0,5% (масс.) [2, 3].

Механизм действия присадки на оксиды серы, образующиеся при сжигании топочного мазута, можно представить следующими химическими реакциями.

1. Разложение соединений присадки — углекислого кальция СаСО₃ при t>900 ^ОС и углекислого магния МдСО₃ при t>540 ^ОС:

2. Связывание оксидов серы, образующихся при горении мазута:

Кроме SO₂ непосредственно в факеле можно обнаружить двухатомную серу S₂, сероводород H₂S и свободные радикалы SO, S, SH. При высоких температурах относительное содержание свободных радикалов SH, SO и S может достигать 30% общего содержания серы. Свободные сернистые радикалы на определенном этапе превращений, по-видимому, также могут вступать в химические реакции с компонентами присадки. Не исключено, что возможен и процесс адсорбции сернистых соединений на оксидах магния и кальция, а также на частицах золы. Проведенный элементный анализ состава золы полученной при сжигании мазута с присадкой, доказывает возможность протекания описанных выше процессов.

Таким образом, предложенная присадка к мазуту в виде обезвоженного карбонатного шлама водоподготовки позволяет химически связывать серу, содержащуюся в топливе, в процессе его сгорания, тем самым, уменьшая низкотемпературную (сернокислотную) коррозию поверхностей нагрева и выбросы оксидов серы в атмосферу [5, 6].

Кроме того, результаты испытаний показали, что с увеличением массовой доли присадки в мазуте повышается его зольность и содержание механических примесей. Однако при этом зольный остаток, полученный при сжигании мазута марки М100 с присадкой, является порошкообразным и более рыхлым и может легко удаляться с поверхностей нагрева под небольшим механическим воздействием или осыпаться под действием своего веса по сравнению с липкой золой, полученной при сжигании мазута, необработанного присадкой. Но согласно ГОСТ 10 585–99 «Топливо нефтяное. Мазут. Технические условия» зольность мазута должна оставаться минимальной, а содержание механических примесей не превышать 0,5%, что соответствует значению предельно допустимой концентрации присадки в мазуте не более 0,5% (масс.).

Все экспериментальные данные подвергались статистической обработке, в ходе которой результаты экспериментальных исследований с учетом погрешности эксперимента были обобщены в расчетные уравнения.

Схема дозирования присадки С учетом требований, предъявляемых к работе оборудования мазутного и присадочного хозяйств на ТЭЦ, была разработана схема дозирования присадки во всасывающий коллектор мазутных насосов.

Питатель 1 обеспечивает подачу присадки на виброгрохот 2, предназначенный для отсеивания частиц присадки с размером более 90 мкм. Затем просеянная присадка подается в бункер дозатора 15, откуда попадает на весоизмерительный транспортер 4, лента которого движется с постоянной фиксированной скоростью. Сигнал с силоизмерительного преобразователя 7 пропорциональный массе материала на ленте транспортера 4 передается через сумматор 8 на вход регулятора 10, где сравнивается с сигналом задатчика расхода массы 9. Сигнал с выхода регулятора 10, пропорциональный рассогласованию между фактической и заданной производительностью, поступает на вход привода 14 транспортера 3, приводя к изменению скорости движения ленты с устранением возникшего рассогласования. После транспортера 4 присадка попадает в узел смешения с мазутом, имеющим температуру 60−80 ^ОС, откуда полученная суспензия насосом-дозатором 6 подается во всасывающий коллектор основных мазутных насосов, предназначенных для подачи мазута через подогреватели высокого давления и фильтры тонкой очистки в котельную установку на сжигание [7].

Экономическая эффективность внедрения разработанной технологии Для корректной экономической оценки эффективности инвестиций на внедрение дозировочного комплекса присадки на базе одноступенчатой схемы мазутного хозяйства был выбран метод расчета чистого дисконтированного дохода. Расчет проводился для парового котла ТГМ-84"Б", работающего на топочном мазуте марки М100 при максимальной нагрузке.

Результаты расчета показали, что экономический эффект составляет около 4981 тыс. руб./год при капитальных затратах 1382 тыс. руб. и при условии, что мазут используется как основное топливо, а присадка в количестве 0,5% (масс.) не снижает теплотворную способность мазута. Также был проведен расчет предотвращенного экологического ущерба атмосфере и земельным ресурсам, который суммарно составил 1199 тыс. руб./год.

Использование в расчетах такого методического подхода позволяет в допустимых рамках сделать принципиальные выводы об эффективности внедрения присадки к мазуту с учетом следующих факторов: стоимости дозировочного устройства и присадки; типа котла; режимных факторов; характеристик мазута; затрат на ремонт поверхностей нагрева; удельных расходов топлива; потерь топлива на пуски котлов и региональных особенностей. Индекс доходности капитальных затрат изменяется от 4,6 и выше в зависимости от цены мазута и нормы дисконта, следовательно, при повышении цен на мазут эффективность применения присадки увеличивается [8].

• 1. На основании теоретических, расчетных и экспериментальных данных разработана принципиальная схема дозирования присадки к мазуту, выбраны режимные и конструктивные характеристики смесителя для однородного распределения присадки в мазуте.
• 2. Даны рекомендации по внедрению предложенной многофункциональной присадки к топочному мазуту в виде обезвоженного карбонатного шлама и дозировочного комплекса на базе одноступенчатой схемы мазутного хозяйства Казанской ТЭЦ-1.
• 3. Экономический эффект применения обезвоженного карбонатного шлама водоподготовки в качестве многофункциональной присадки к топочному мазуту составляет 4981 тыс. руб./год, а срок окупаемости — 4 мес. Суммарный предотвращенный экологический ущерб составляет 1199 тыс. руб./год.

• 1. Пат. 2 363 722 Российская Федерация. Присадка к мазуту/ Э. Р. Зверева, Л. В. Ганина. Опубл. 10.08.2009. Бюл. № 22.
• 2. Зверева Э. Р., Ганина Л. В., Андрюшина И. А. Влияние присадки на эксплуатационные свойства топочных мазутов //Химия и технология топлив и масел. 2009. № 5. С. 31−33.
• 3. Зверева Э. Р. Присадки к топочным мазутам//Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2011. № 1−2. С. 7−17.
• 4. Зверева Э. Р. Новая присадка к мазуту // Энергосбережение и водоподготовка. 2011. № 1. С. 54−57.
• 5. Зверева Э. Р. Использование карбонатного шлама в качестве присадки к котельным топливам // Сб. трудов VI Международной научно-практической конференции. Санкт-Петербург. 2010. С. 11−116.
• 6. Зверева Э. Р. Повышение качества топочных мазутов // Бутлеровские сообщения. 2011. Т. 25. № 4. С. 99−104.
• 7. Зверева Э. Р., Ганина Л. В., Андрюшина И. А. Экспериментальное исследование эффективности присадки к мазуту// Теплоэнергетика. 2010. № 6. С. 69−71.
• 8. Зверева Э. Р. Ресурсо-, энергосберегающие технологии в мазутных хозяйствах тепловых электрических станций. Монография. Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2010. 184 с.