Котлы тепловых электростанций и защита атмосферы - Владлен Котлер

Попутные (нефтепромысловые) газы состоят из метана и других составляющих. В этих газах значительно меньше СН4, но зато количество тяжелых углеводородов составляет уже десятки процентов. Количество и качество попутного газа зависят от состава сырой нефти и ее стабилизации на месте добычи (только стабилизированная нефть считается подготовленной для дальнейшей транспортировки по трубопроводам или в танкерах).

Средние характеристики попутных газов некоторых месторождений Российской Федерации приведены в табл. 2.3.

Таблица 2.3. Состав и плотность попутных газов

Таблица 2.4. Состав и плотность промышленных газов

Кроме природных и попутных газов, в промышленности иногда используют различные искусственные газы. На предприятиях металлургической промышленности (доменное производство и коксовые печи) образуется большое количество низкокалорийного доменного газа (Qir = 4,0÷5,0 МДж/м3) и среднекалорийного коксового газа (Qir = 17÷19 МДж/м3), содержащего Н2, СН4, СО и другие горючие газообразные компоненты (табл. 2.4). Перед использованием в котлах доменный и коксовый газ должны быть очищены от пыли.

В некоторых странах, не столь богатых природным газом, как Россия, существует целая отрасль промышленности, занятая производством генераторных газов, часто называемых синтез-газами. Разработаны методы и создано оборудование для получения удобного при использовании в быту топлива путем газификации твердых органических топлив: угля, сланцев, торфа, древесины. При использовании в качестве окислителя обычного воздуха получают низкокалорийный газ (3÷5 МДж/м3), а газификация на кислородном дутье позволяет получить среднекалорийный газ с Qir = 16÷17 МДж/м3. Такой газ, в отличие от низкокалорийного, можно использовать не только на месте получения, но и транспортировать на некоторое расстояние. Состав генераторного газа определяется исходным топливом и технологией его газификации.

Однако в условиях российской действительности, при сравнительно низких ценах на природный газ, все виды генераторного газа оказываются неконкурентоспособны по сравнению с природным газом. Тем не менее в некоторых случаях (при отсутствии вблизи объекта газовых магистралей или необходимости утилизировать содержащие органические вещества отходы производства), практикуют установку газификаторов с воздушным или паровоздушным дутьем для получения газовой смеси, содержащей Н2, СО и небольшое количество углеводородов, что позволяет обеспечить газообразным топливом отопительные котлы с автоматизированными горелками и высоким КПД.

Во второй половине прошлого века в промышленном масштабе было налажено производство СПГ – сжиженного природного газа. Это фактически новый вид топлива, который на первой и последней стадиях своего существования является газом, но при транспортировке и хранении ведет себя как жидкое топливо (обеспечивая тем самым широкий рынок для реализации на огромных территориях, куда невозможно или нецелесообразно тянуть газовую магистраль). Получается СПГ путем сжижения природного газа за счет охлаждения его до температуры ниже – 160 °С. После регазификации на месте потребления СПГ не теряет свойств, характерных для обычного природного газа. При давлении 0,6 МПа, которое является рабочим при транспортировке и хранении СПГ, его плотность составляет 385 кг/м3. Понятно, что при такой температуре хранить и перевозить СПГ приходится в специальных (криогенных) емкостях. Стоимость таких установок достаточно высока, однако цена сжиженного природного газа существенно ниже стоимости аналогичного продукта – сжиженного углеводородного газа, более известного под названием пропан-бутановой смеси.

Сырьем для получения пропан-бутановых смесей, широко используемых пока что только в жилищно-бытовом секторе, является, главным образом, попутный газ нефтедобычи. Другой источник сжиженного газа – нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ), на которые поступает сырая нефть, содержащая сжиженные нефтяные газы. В процессе дистилляции они улавливаются, причем их выход составляет 2–3 % объема перерабатываемой нефти. Теплота сгорания этого топлива и другие его характеристики зависят от соотношения между содержанием бутана и пропана.

2.4. Жидкое топливо

Жидкое топливо – это, как правило, продукт переработки сырой нефти (хотя в некоторых странах освоена технология получения жидкого топлива из угля, сланцев или других органических веществ). Сырая нефть является смесью органических соединений, а также некоторого количества сернистых и азотных соединений, парафинов и смол. После переработки сырой нефти на НПЗ получаются легкие сорта топлива: бензин, керосин и дизельное топливо. Эти виды топлива используются, главным образом, на транспорте, в коммунально-бытовом секторе и в двигателях внутреннего сгорания различных промышленных предприятий.

Затем на НПЗ получают топочные мазуты, которые являются тяжелыми крекинг-остатками или смесями крекинг-остатков с мазутами прямой перегонки. Помимо высокой вязкости и плюсовой температуры застывания, в топочных мазутах допускается более высокое содержание механических примесей, серы и воды. Топочные мазуты поступают на тепловые электростанции и крупные котлы промышленных котельных. При этом бо́льшая часть минеральных примесей, содержащихся в исходной нефти, концентрируется именно в мазуте.

В соответствии с Российскими стандартами на электростанции поставляются мазуты марок 40 и 100. Марка в данном случае определяется предельной вязкостью мазута при температуре 80 °С. Для мазута марки 40 она не должна превышать 8,0 градусов условной вязкости (°ВУ), а для мазута марки 100 – 15,5 °ВУ При подогреве мазута вязкость снижается до уровня, который обеспечивает устойчивый транспорт мазута по трубопроводам и тонкое распыливание в механических форсунках (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Диаграмма «Вязкость – температура» для жидкого топлива

По содержанию серы мазуты разделяются на малосернистые (Sr≤0,5 %), сернистые (до 2,0 % серы) и высокосернистые (до 3,5 % серы). Уровень сернистости зависит, главным образом, от содержания серы в исходной нефти: при ее переработке от 70 до 90 % сернистых соединений переходит в мазут, создавая тем самым серьезные трудности для эксплуатационного персонала ТЭС.

Из других характеристик мазута существенное значение имеют также зольность, влажность и плотность мазута.

Зольность, как и в случае с сернистостью, зависит от содержания минеральных примесей в исходной нефти. При ее переработке эти примеси концентрируются, главным образом, в мазуте. Тем не менее золовой остаток при сжигании мазута настолько мал, что золоочистка дымовых газов на мазутных котлах, как правило, не требуется. Особенностью золы мазута является наличие в ней ванадия. В пересчете на пятиокись ванадия V2О5 этот компонент, представляющий большую ценность для промышленности, может достигать 50 % при сжигании высокосернистых мазутов.

При сгорании мазута часть компонентов его золы возгоняется, а затем конденсируется на конвективных поверхностях нагрева. На эти первичные отложения осаждаются твердые или расплавленные частицы золы, а также сажевые и коксовые частицы, создавая прочные, прилипающие к трубам загрязнения. Трудноудаляемые отложения, содержащие оксиды ванадия, никеля, железа и натрия, ухудшают теплопередачу, нарушают температурный режим и повышают аэродинамическое сопротивление конвективных поверхностей нагрева. На поверхностях нагрева с температурой металла ниже точки росы образуется пленка серной кислоты, на которую также осаждаются твердые частицы золы и кокса.

Влажность мазута, отгружаемого потребителю, как правило, не превышает 1,5–2 %. Но в процессе слива мазута из цистерн и хранения его в мазутных резервуарах влажность мазута увеличивается за счет пара, который используется для поддержания нужной температуры (подробнее см. в гл. 3).

Плотность мазута обычно оценивается отношением фактической плотности к плотности воды при температуре 20 °С. При повышении температуры относительная плотность мазутов уменьшается и может быть рассчитана по формуле

,(2.7)

где ρt и ρ20 – относительные плотности мазута при фактической температуре t и при 20 °С, β – коэффициент объемного расширения при повышении температуры мазута на 1 °С. Для большинства мазутов β = (5,1÷5,3)·10-4.

Еще две характеристики мазута представляют интерес при эксплуатации мазутного хозяйства: температура застывания и температура вспышки. Первая – это температура, при которой мазут загустевает настолько, что в пробирке, наклоненной на 45°, поверхность мазута остается неподвижной в течение 1 мин. Для мазутов марки 40 максимальная температура застывания составляет +10 °С, а для мазута марки 100, с повышенным содержанием парафинов, температура застывания повышается до 25 °С.