СПОСОБ ПОДГОТОВКИ И ХРАНЕНИЯ ЖИДКОГО ТОПЛИВА Российский патент 1998 года по МПК B01F3/08 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для приготовления, хранения и подготовки к сжиганию в котлоагрегатах жидкого топлива на основе мазута.

Известен способ хранения, подготовки и подачи мазута, включающий слив мазута из цистерн в приемные резервуары, подогрев мазута в процессе слива, поддержание в резервуарах температуры 40-140^oC путем циклического прокачивания мазута через подогреватели и подачу мазута на сжигание в котельные агрегаты (см. Г.С.Степанов и др. Рациональное использование мазута в паровых котлах предприятий пищевой промышленности. Легкая и пищевая промышленность.- М.:1981, с. 127).

Однако содержащаяся в мазуте вода скапливается в нижней части резервуаров и, попадая на форсунки, приводит к их аварийному останову. Кроме того, высокая вязкость сжигаемого мазута приводит к загрязнению окружающей среды оксидами азота, сажей, бензапиреном, снижению КПД котлоагрегатов.

Наиболее близким к предложенному способу является способ подготовки и хранения жидкого топлива, описанный в заявке N 94023004/26, кл. B 01 F 3/08, 1994. В известном способе жидкое топливо получают путем эмульгирования мазута с имеющейся в нем или подаваемой извне водой, при этом эмульгирование осуществляют в процессе загрузки в резервуары, циклически при хранении в них и непосредственно перед подачей на сжигание. Кроме того, в процессе хранения температуру мазута поддерживают в диапазоне 40-140^oC.

Сжигание водомазутной эмульсии позволяет снизить количество вредных выбросов и вероятность аварийного останова котлоагрегатов, однако как показали проведенные исследования и практический опыт использования, известный способ, будучи сравнительно трудоемким из-за трехступенчатого эмульгирования, тем не менее не обеспечивает стабильного горения факела. Это происходит потому, что в разгружаемом или хранящемся топливе имеются или возникают вследствие расслоения (коалесценции) эмульсии крупные включения, так называемые линзы, воды. В процессе их последующего эмульгирования вместо эмульсии воды в мазуте в лучшем случае образуется эмульсия мазута в воде. В результате сразу же после эмульгирования линзы образуются вновь, что сводит на нет все достоинства известного способа как в части непрерывности и стабильности процесса горения топлива, так и в отношении количества вредных выбросов.

Кроме того, как уже отмечалось, известный способ трудоемок, так как в нем эмульгирование осуществляется в три стадии.

Здесь следует пояснить, что под эмульгированием понимают процесс, в результате которого получается стабильная водомазутная эмульсия, пригодная к сжиганию в котлоагрегате без существенного снижения КПД и при существенно меньших выбросах вредных веществ по сравнению с чистым мазутом. Однако, как показали проведенные исследования, этими свойствами обладает лишь гомогенная эмульсия, содержащая 1-12% влаги (при больших концентрациях воды параметры горения резко ухудшаются), с размером частиц воды менее 15 мкм и находящаяся при 50-120^oC. При этом решающий характер имеет именно размер частиц воды. Так, известно, что степень дисперсности эмульсий вообще лежит в диапазоне 10³-10⁵ см^-1 (см. Общая химия, под ред. Е.М.Соколовской и др. - МГУ, 1980, с. 292). В частности, было установлено, что системы с дисперсностью частиц воды 300-60 мкм нестабильны и скорость коалесценции в них превышает приемлемую скорость диспергирования. В то же время коэффициент диспергирования, т.е. отношение размера частиц на выходе диспергатора к размеру частиц на его входе, ограничен конструктивными особенностями аппаратов, так что для получения эмульсии из загружаемого топлива, размер капель воды в котором превышает 200 мкм, требуется установить несколько последовательных кавитационных аппаратов или многократно прокачать мазут через один имеющийся. Иными словами, завышенные требования к дисперсности и температуре топлива приводят к неоправданному повышению трудоемкости способа, снижению производительности, перерасходу энергии.

Таким образом, техническим результатом, ожидаемым от использования изобретения, является снижение количества вредных выбросов в атмосферу и повышение стабильности горения жидкого топлива при одновременном снижении трудоемкости способа.

Указанный результат достигается тем, что в известном способе подготовки и хранения жидкого топлива, включающем эмульгирование мазута с имеющейся в нем или подаваемой извне водой непосредственно перед подачей на сжигание, при хранении мазута с имеющейся в нем или подаваемой извне водой в резервуарах производят циклическое диспергирование частиц воды до получения в резервуарах грубодисперсной системы, а до загрузки мазута в резервуары и/или в ходе его диспергирования в них производят гомогенизацию мазута с имеющейся в нем или подаваемой извне водой.

Кроме того, в состав топлива до или в процессе эмульгирования и/или диспергирования вводят тяжелую пиролизную смолу в количестве 2-10 мас.%.

Допускается гомогенизацию осуществлять путем забора мазута с имеющейся в нем или подаваемой извне водой из нижней части приемной емкости или резервуара и вброса их или их смеси по высоте емкости или резервуара.

Гомогенизация может также осуществляться путем забора мазута с имеющейся в нем или подаваемой извне водой из приемной емкости или резервуара и перекачивания их смеси в другую емкость или резервуар.

Кроме того, одновременно с проведением гомогенизации до загрузки в резервуары может осуществляться предварительное диспергирование частиц имеющейся в мазуте или подаваемой извне воды.

Целесообразно также, чтобы скорость диспергирования при хранении в резервуарах была в 1,5-2 раза выше скорости коалесценции.

При этом содержание воды в топливе поддерживают на уровне 4-12 мас.%.

Целесообразно также проводить гомогенизацию при загрузке при температуре топлива 45-55^oC.

Рекомендуется также хранить топливо при температуре 50-70^oC.

При этом температуру топлива перед подачей на сжигание доводят до 90-120^oC.

Кроме того, диспергирование мазута с водой при хранении в резервуарах проводят до достижения среднего размера частиц воды 20-25 мкм.

И, наконец, при эмульгировании топлива перед сжиганием средний размер частиц воды доводят до 10-15 мкм.

Таким образом, в предлагаемом способе не производят эмульгирования при загрузке мазута в резервуары хранения, как это делалось в известном способе. В этот момент вообще не производят никаких операций, кроме самой загрузки. А вот перед загрузкой и/или после нее, в процессе хранения, мазут с водой гомогенизируют, т.е. перемешивают, обеспечивая однородность состава по всему объему. Кроме того, вместо циклического эмульгирования мазута (топлива) в процессе хранения в резервуаре его подвергают диспергированию до образования грубодисперсной системы, отличающейся от эмульсии (микрогетерогенной системы) большим размером частиц воды (25-60 мкм). Таким образом вместо трех стадий эмульгирования в известном способе, в предложении всего одна стадия эмульгирования, но ей предшествует гомогенизация и диспергирование смеси, а в ряде случаев и предварительное ее диспергирование, так что на эмульгирование поступает гомогенная грубодисперсная система с размером частиц воды более 20-25 мкм.

Более того, в предлагаемом способе диспергирование производится непосредственно после гомогенизации (предварительного диспергирования), что исключает отрицательное влияние нестабильности смеси или грубодисперсной системы, а соблюдение вышеприведенных параметров топлива и введение пиролизной смолы позволяют практически полностью исключить возможность аварийной остановки котельного оборудования и неконтролируемые выбросы в атмосферу вредных продуктов горения, что особенно актуально в реальных условиях перевозки и хранения мазутного топлива, не являющегося основным источником энергии на ТЭЦ.

Иными словами в предложении водомазутная система также проходит несколько стадий обработки, но только последняя из них является эмульгированием. В частности, возможны следующие варианты:
гомогенизация-диспергирование-эмульгирование, при этом размер частиц воды изменяется от начального, равного, например, 200 мкм, по закону 200-200-20(25)-15(10) мкм, т.е. при гомогенизации размер частиц практически не изменяется;
диспергирование-гомогенизация-эмульгирование (200-20-20-15);
гомогенизация-диспергирование-гомогенизация-эмульгирование (200-200-20-15);
гомогенизация-предварительное диспергирование - гомогенизация-диспергирование-эмульгирование (200-50(60)-50-25-10).

Необходимо учесть также, что поступающий на ТЭЦ мазут практически всегда обводнен и содержание влаги в нем колеблется в пределах 1-3%. В процессе хранения и перед подачей на сжигание влажность топлива контролируют и, при необходимости, дополнительно вводят воду, если она не попала в резервуары непреднамеренно. Именно в этом смысле следует понимать выражение "с имеющейся в нем или подаваемой извне водой".

Следует учесть также, что топливом выше названа водомазутная система, мазут с имеющейся в нем или поданной извне водой, подвергнутые гомогенизации и диспергированию (эмульгированию).

Пиролизная смола является продуктом оргсинтеза и выпускается по ТУ 38. 10285-83.

Вброс по высоте означает вброс в верхней части или одновременно в нескольких точках по высоте.

Как уже отмечалось, под грубодисперсной системой понимается смесь мазута с водой, частицы которой имеют средний размер от 25 до 60 мкм.

Говоря о среднем размере частиц, предполагается, что распределение частиц по размерам является нормальным или близко к нему. Можно ввести и иной критерий: количество частиц с размером, отличающимся от среднего не более чем на 10%, составляет в системе более 80%.

Разумеется, температура хранения топлива (мазута с водой) совпадает с температурой, при которой осуществляется этап диспергирования. Поддержание вышеуказанной температуры осуществляется путем пропускания топлива через нагреватель.

На чертеже схематично показано устройство для осуществления предлагаемого способа. Устройство содержит приемную емкость 1 и резервуары 2,3 (их число может быть и больше двух) для хранения мазута (водомазутной эмульсии, топлива). Подача мазута или топлива осуществляется насосами 4-6. На выходе насоса 4 установлен смеситель (гомогенизатор) 7, в качестве которого могут использоваться любые известные смесители, в том числе и кавитационного типа, конструктивно аналогичные эмульгаторам, но больших размеров, с большими просветами между кавитирующим телом и внутренней поверхность аппарата. В частности, при выборе их объема исходят из того, что он должен по меньшей мере в 1,5-2 раза превышать размер линз воды, могущих находиться в мазуте. Вместо смесителя можно воспользоваться и мешалкой, вибратором.

За насосами 5 и 6 установлены диспергатор 8 и эмульгатор 9 соответственно, за которыми размещены нагреватели 10, 11. Диспергатор и эмульгатор могут быть выполнены любым известным образом, например, в виде кавитационных аппаратов, причем размеры диспергатора выше, чем у эмульгатора.

В магистрали 12 подачи топлива на сжигание установлены задвижки 13 и 14, в магистрали 15 подачи мазута на хранение - задвижки 16, 17, 18, в магистрали 19 возврата мазута в приемную емкость - задвижка 20, а в магистрали 21 рециркуляции - задвижки 22, 23, 24 и 25.

Введение дополнительной воды производят, при необходимости, на вход насосов 4-6 или аппаратов 8, 9.

Выполнение кавитационных аппаратов подробно описано в обзорной информации: Серия 1. Тепловые электростанции, теплофикация и тепловые сети. 1986, вып. 11 "Улучшение эксплуатационных свойств жидкого котельного топлива путем его гидромеханической обработки", 60 с. , а также патентах по заявкам 94042513/25, 94042798/25, 95106245/26 и других источниках.

Пиролизную смолу вводят в смеситель 7, добавляют в емкость 1 или в резервуары 2,3 непосредственно после загрузки мазута.

Способ осуществляют следующим образом. Мазут из цистерн сливают в емкость 1. После ее заполнения возможны три варианта дальнейших действий.

Вариант 1. Мазут с имеющейся в нем или добавленной в него водой, а в ряде случаев и пиролизной смолой гомогенизируют путем циркуляции по контуру 1-4-7-1 (задвижка 18 закрыта, задвижка 20 открыта), после чего закачивают в резервуар 2(3), после заполнения которого начинают процесс диспергирования путем пропускания водомазутной системы по контуру 2-24-5-8-10-22-2 или контуру 2-24-5-8-10-23-3.

Вариант 2. Мазут с имеющейся в нем или добавленной в него водой сразу закачивают в резервуар 2 (3) и одновременно с диспергированием водомазутной системы производят ее гомогенизацию дополнительным, не показанным на чертеже смесителем, установленным на выходе насоса 5 перед эмульгатором 8, или путем вброса по высоте резервуара, из которого мазут взят на рециркуляцию или путем его перекачивания в другой резервуар.

Вариант 3. Представляет комбинацию вариантов 1,2, при которой гомогенизацию производят и в емкости 1, и резервуаре 2(3).

Параметры смесителя 7 (проходное сечение, перепад давления на смесителе, скорость течения в нем и т.п.) могут быть выбраны так, что в нем происходит предварительное диспергирование водомазутной смеси до получения системы с размером частиц 50-60 мкм. Тем не менее, этот процесс не является эмульгированием по вышеназванным причинам и лишь усиливает эффект, обеспечиваемый гомогенизацией на этапе, предшествующем загрузке мазута на хранение. Этот процесс не является и диспергированием в вышеназванном смысле, так как в результате не получается и квазиустойчивая грубодисперсная система. Более того, устройство, как уже отмечалось, может и не содержать смеситель 7.

Для определения скорости диспергирования достаточно знать объем резервуаров и производительность аппаратов, через которые осуществляется циклическое прокачивание водомазутной системы при хранении. Например, если весь объем резервуаров прокачивают за 30 часов, а средний размер частиц воды при этом снижается с 60 до 25 мкм, то скорость дисперигования составит 35/30. Аналогично, если при последующем хранении в течение 90 часов средний размер частиц возрос до 40 мкм, то скорость коалесценции равна 15/90.

Сравнительные испытания известных и предложенных способа и устройства проводились на паровом котле ДКВр-6,5-13 ст. N 2, предназначенном для производства насыщенного пара.

Влажность топлива измерялась переносным влагомером. Опыты при сжигании газа проводились с номинальным давлением газа перед горелками, а при сжигании жидкого топлива - с постоянным давлением 5-6 кг/см², что соответствует примерно нагрузке котла 0,6-0,7 Дном.

При проведении испытаний исследовались все вышеназванные диапазоны изменения концентрации пиролизной смолы, влаги, температуры и дисперсности, причем промежуточные точки не только экстраполировались, но и проверялись расчетным путем. В результате было установлено, что ожидаемый эффект достигается в указанных диапазонах и не достигается вне их. Были проведены также сравнительные испытания по сжиганию мазута, водомазутной эмульсии с пиролизной смолой и без нее и газа.

При сжигании гомогенизированной смеси мазута с пиролизной смолой (и гомогенизированной водомазутной эмульсии) резко понизился критический коэффициент избытка воздуха, причем его величина была тем ниже, чем больше температура топлива. Так, при температуре смеси 94^oC оптимальный коэффициент избытка воздуха составил 1,6-1,65, (1,64-1,71) а при температуре 130^oC -1,4-1,45, (1,45-1,51) в то время как при сжигании мазута с температурой 120-125^oC - 1,8-1,85. Таким образом, понижение коэффициента избытка воздуха с 1,8-1,85 до 1,4-1,45 увеличило КПД котла приблизительно на 1,6-1,7%.

Минимальное значение концентрации оксидов азота при сжигании смеси мазута с пиролизной смолой составило 170-180 мг/нм³ против 260-270 мг/нм³ при сжигании мазута и 200-210 при сжигании водомазутной эмульсии без смолы, т.е. произошло снижение вредных выбросов примерно на 40%.

Для сравнения, концентрация оксидов азота при сжигании газа на нагрузке котла, близкой к номинальной, составила 125-130 мг/нм³ при оптимальном коэффициенте избытка воздуха 1,4, а концентрация оксидов азота при сжигании мазута влажностью 0,8% и оптимальном коэффициенте избытка воздуха 1,87-1,90 составила 260-270 мг/нм³.

При сжигании водомазутной эмульсии влажностью 3,2% концентрация оксидов азота уменьшилась по сравнению с NO_x при сжигании мазута только на 25%.

Таким образом удалось добиться двойного положительного эффекта: во-первых, снижения оптимального избытка воздуха, что соответствует повышению КПД котла, и, во-вторых, существенного уменьшения выбросов оксидов азота.

Более того однократное эмульгирование вместо трехкратного в известном способе позволило достичь указанных параметров при существенно меньших затратах энергии и времени.

Способ предназначен для приготовления, хранения и подготовки к сжиганию в котлоагрегатах жидкого топлива на основе мазута. Способ включает эмульгирование мазута с имеющейся в нем или подаваемой извне водой непосредственно перед подачей на сжигание. При хранении мазута в резервуарах производят циклическое диспергирование частиц воды до получения в резервуарах грубодисперсной системы. До загрузки мазута в резервуары и/или в ходе его диспергирования в них производят гомогенизацию мазута с имеющейся в нем или подаваемой извне водой. Изобретение позволяет снизить количество вредных выбросов в атмосферу и повысить стабильность горения жидкого топлива при одновременном снижении трудоемкости. 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ подготовки и хранения жидкого топлива, включающий эмульгирование мазута с имеющейся в нем или подаваемой извне водой непосредственно перед подачей на сжигание, отличающийся тем, что при хранении мазута с имеющейся в нем или подаваемой извне водой в резервуарах производят циклическое диспергирование частиц воды до получения в резервуарах грубодисперсной системы, а до загрузки мазута в резервуары и/или в ходе его диспергирования в них производят гомогенизацию мазута с имеющейся в нем или подаваемой извне водой. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в состав топлива до/или в процессе эмульгирования и/или диспергирования вводят тяжелую пиролизную смолу в количестве 2-10 мас.%. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что гомогенизацию осуществляют путем забора мазута с имеющейся в нем или подаваемой извне водой из нижней части приемной емкости или резервуара и вброса их или их смеси по высоте емкости или резервуара. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что гомогенизацию осуществляют путем забора мазута с имеющейся в нем или подаваемой извне водой из приемной емкости или резервуара и перекачивания их смеси в другую емкость или резервуар. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что одновременно с проведением гомогенизации до загрузки в резервуары может осуществляться предварительное диспергирование частиц имеющейся в мазуте или подаваемой извне воды. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что скорость диспергирования при хранении в в резервуарах выбирают в 1,5-2 раза выше скорости коалесценции. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержание воды в топливе поддерживают на уровне 4-12 мас.%. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что гомогенизацию при загрузке проводят при температуре топлива 45-55^oC. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что топливо хранят при 50-70^oC. 10. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру топлива перед подачей на сжигание доводят до 90-120^oC. 11. Способ по п.1, отличающийся тем, что диспергирование мазута с водой при хранении в резервуарах проводят до достижения среднего размера частиц воды 20-25 мкм. 12. Способ по п.1, отличающийся тем, что при эмульгировании топлива перед сжиганием средний размер частиц воды доводят до 10-15 мкм.