О влиянии сжигания мазута и водомазутной эмульсии в отопительных котлах на выбросы загрязняющих веществ

Отопительные котлы малой мощности широко применяются в промышленности и используют топочный мазут в качестве сжигаемого топлива наряду с газом и углем. В соответствии с Экологической стратегией на перспективу до 2030 года важным условием повышения эффективности объектов малой энергетики становятся снижение негативного воздействия на окружающую природную среду к 2020 году на 35% и к 2030 году до 70%, что хорошо согласуется с положениями ФЗ «Об охране окружающей среды» [1].

Проблемы малоотходного сжигания мазута усугубляются тем, что в отопительных котельных применяются котлы с небольшим топочным объемом, а также котельные, как правило, не имеют оборудованного мазутного хозяйства. На практике это приводит к значительной химической неполноте сгорания мазута, загрязнению атмосферы вредными веществами. Известно, что достаточными и необходимыми условиями для надежной работы котлов являются устойчивость факелов и соответствие их теплообменных параметров оптимальным условиям. Эти условия невозможно удовлетворить при сжигании обводненных мазутов, имеющих неравномерное (гнездовое) распределение воды в относительно большом объеме горючей массы.

Увеличение обводненности сжигаемого мазута при обычном гнездовом неравномерном распределении в нем воды влечет за собой падение КПД котла. Таким образом, эффективное использование обводненных мазутов возможно лишь при условии равномерного распределения воды по всему объему. Только при таком условии представляется возможным поддерживать для данной форсировки топки на постоянном уровне коэффициент избытка воздуха, отвечающий определенной подаче мазута в топку котла.

Попытки удаления воды путем отстаивания не достигают цели: плотности нефтесодержащих минерализованных отходов и тяжелых марок мазута очень мало отличаются от плотности воды. Так, например, для мазута M100 плотность может достигать 1,015 г/см³ при 20°С. Не отстоявшаяся вода располагается послойно, сосредотачиваясь в основном в нижней части емкости [2].

Трудности распределения системы вода-нефть определяются не только этими факторами. В процессе подогрева и любых перекачек, когда происходит перемешивание нефти и нефтепродуктов и содержащейся в них воды, всегда образуются устойчивые эмульсии типа вода-масло, так как в нефти и ее продуктах имеется значительное количество природных эмульгаторов. Образование мелких частиц водной фазы, к тому же покрытых плотной нефтяной пленкой, в значительной степени затрудняет выделение воды из нефти. Поэтому и другие известные методы обезвоживания (термические, термохимические, центрифугирование и др.) практически неэффективны из-за низких технико-эксплуатационных показателей: высокой стоимости обезвоживания, превышающей для отдельных методов 25% стоимости товарного мазута, сложности и малой производительности установок [3].

Чтобы добиться устойчивой работы топок котлов при сжигании высоковлажных мазутов необходимо воду, содержащуюся в них слоями, распределить по всей их массе равномерно, т. е. превратить смесь мазута и воды со случайным распределением последней в организованную систему, где вода будет равномерно распределена по всей массе горючего. Выполнение этого условия позволяет поддерживать на постоянном уровне форсировку топки и вести топочный процесс с постоянным коэффициентом избытка воздуха.

В результате диспергирования (дробления) водомазутной смеси ее частицы достигают размеров 1–10 мкм в высококачественных эмульсиях и 20–50 мкм в менее качественных. Чем меньше размер частиц дисперсной фазы и чем равномернее распределена она в дисперсной среде, тем больше стабильна, а, следовательно, и более качественна эмульсия [4].

Процессы сжигания специально приготовленной водомазутной эмульсии (ВМЭ) исследовались и исследуются в настоящее время учеными. Мощный импульс данное направление получило в настоящее время вследствие обострения вопроса защиты атмосферы от вредных выбросов. В СПбГАСУ и ДВГУПС в последние годы ведутся научно-исследовательские работы по изучению выхода загрязнителей при сжигании ВМЭ, результаты которых представлены в таблице по данным работы [5].

Таблица

Концентрации загрязняющих веществ в дымовых газах при сжигании жидких топлив в котлах

Для приготовления ВМЭ можно использовать в качестве добавок различные подтоварные воды, содержащие примеси нефти масел оборотных вод технологических производств и т. п., тогда термическое обезвреживание этих вод сжиганием в виде ВМЭ выгодно как с экономической, так и с экологической точки зрения.

Результаты авторских исследований сжигания жидкого топлива в чугунных котлах позволили получить эмпирические зависимости выхода токсических веществ от основных эксплуатационных показателей работы котлов. В работе [3] в результате математической обработки была получена зависимость, определяющая средние концентрации оксидов азота (мг/м³) в продуктах сгорания жидкого топлива:

CNO_x=350−154α−52N_K−520N^P−8W^P,

Где:

• Α – коэффициент избытка воздуха в топке;
• N_K – тепловая мощность котла, МВт;
• N^P – содержание в топливе азота, %;
• W^P – содержание в топливе воды, %.

Зависимость показывает степень влияния эксплуатационных параметров на выход оксидов азота. Ограничения использования этой зависимости: топливо – мазут 10–100, ВМЭ; тип котлов – «Энергия», «Минск» и «Универсал»; изменение коэффициента избытка воздуха в топке от 1,2 до 1,4; изменение тепловой мощности котлов от 0,3 до 1,0 МВт; изменение содержания в топливе азота от 0,15 до 0,3% и воды – до 20%.

Таким образом, в данной статье показаны очевидные преимущества (см. таблицу) сжигания топочного мазута в виде ВМЭ на выброс вредных веществ в продуктах сгорания котлов. Это существенно повысит экологическую эффективность эксплуатации действующих котлоагрегатов, работающих на жидком топливе. В работе [6] авторами также обосновывается преимущественное сжигание жидкого топлива в виде ВМЭ с содержанием воды в пределах W^P = 10÷12%, что приводит к уменьшению вредных выбросов СО, NO_x и сажестых частиц с продуктами сгорания. Исследования проводились в отопительных котельных Дальневосточной железной дороги.