Тепловой расчет и эксергетический анализ котельного агрегата

       Сократить потери при производстве зимнего дизельного топлива можно введением в топливо депрессорных присадок (в сотых долях процента). Добавка депрессорных присадок позволяет снизить предельную температуру фильтруемости на 10—15 °С и температуру застывания на 15—20 °С. Введение присадок не влияет на ta топлива. Это связано с механизмом действия депрессорных присадок, заключающемся в модификации структуры кристаллизующихся парафинов, уменьшении их размеров. При этом общее количество н-парафиновых углеводородов не снижается. Последнего можно достичь лишь в результате депарафинизации (цеолитной, карбамидной, каталитической) топлива. Низкотемпературные свойства дизельных топлив с депрессорными присадками спецификациями всех стран оцениваются по ГОСТ 305-82 для топлива без депрессора низкотемпературные свойства регламентируют по t_З и t_П. Разность не должна превышать 10 °С.

        Топлива являются смазочным материалом для движущихся деталей топливной аппаратуры быстроходных дизелей, пар трения плунжерных топливных насосов, запорных игл, штифтов и других деталей.  Смазывающие свойства топлив значительно хуже, чем у масел, так как и вязкость, и содержание поверхностно-активных веществ (ПАВ) в топливах меньше, чем их содержание в маслах. Противоизносные свойства топлив улучшаются с увеличением содержания ПАВ, вязкости и температуры выкипания. В связи с ужесточением требований к качеству дизельных топлив по содержанию серы и переходом на выработку экологически чистых топлив, гидроочистку их проводят в жестких условиях. При этом из дизельных топлив удаляются соединения, содержащие серу, кислород и азот, что негативно влияет на их смазывающую способность. Наиболее реальным способом улучшения смазывающих свойств дизельного топлива является применение противоизносных присадок.

        Химическая стабильность дизельного топлива — способность противостоять окислительным процессам, протекающим при хранении. Эта проблема возникла с углублением переработки нефти и вовлечением в состав товарного дизельного топлива среднедистиллятных фракций вторичной переработки нефти, таких, как легкого газойля каталитического крекинга, висбрекинга, коксования. Последние обогащены ненасыщенными углеводородами, включая диолефины и дициклоолефины, а также содержат значительное количество сернистых, азотистых и смолистых соединений.

       Наличие гетероатомных соединений, особенно в сочетании с ненасыщенными углеводородами, способствует их окислительной полимеризации и поликонденсации, тем самым влияя на образование смол и осадков. Самыми сильными промоторами смоло- и осадкообразования являются азотистые и сернистые соединения. Химическая стабильность оценивается по количеству образовавшегося в топливе осадка (мг/100 мл) по ASTM D 2274. Легкий газойль каталитического крекинга (ЛГКК) по химической стабильности существенно уступает прямогонным или гидроочищенным дистиллятным фракциям. [3]

        Стандартами на дизельные топлива регламентируются следующие показатели качества, характеризующие их коррозионную агрессивность: содержание общей серы, содержание меркаптановой серы и сероводорода, водорасворимых кислот и щелочей, испытание на медной пластинке. Современная технология получения дизельных топлив практически исключает возможность присутствия в них элементной серы и сероводорода в количествах, вызывающих коррозионное воздействие на металлы. Отсутствие элементной серы и сероводорода надежно контролируется испытанием на медной пластинке. Топливо выдерживает эти испытания, если содержание свободной серы не выше 0,0015 %, сероводорода не более  0,0003 %. Общее содержание серы мало характеризует коррозионную агрессивность топлива по отношению к металлам. При увеличении содержания серы с 0,18 до 1,0 %, но незначительном повышении содержания меркаптановой серы с 0,005 до 0,009 %, коррозионная агрессивность топлива почти не изменяется.

        Большое влияние на коррозионную агрессивность дизельных топлив оказывает глубина их гидроочистки, так как при этом вместе с сернистыми и ароматическими соединениями удаляются поверхностно-активные вещества, в результате чего ухудшаются защитные свойства топлив. Удаление поверхностно-активных веществ приводит к снижению способности топлива вытеснять влагу с поверхности металлов и образовывать защитную пленку. Коррозионная агрессивность дизельных топлив, в основном, зависит от содержания меркаптановой серы. Так, повышение содержания меркаптановой серы с 0,01 % (норма ГОСТ) до 0,06 % увеличивает коррозию более чем в 2 раза.  Коррозионная активность меркаптановой серы в дизельном топливе существенно зависит от присутствия в нем свободной воды и растворенного кислорода, которые ускоряют процесс образования меркаптидов. Прямогонные дизельные топлива обладают более высокими защитными свойствами по сравнению с гидроочищенными. Сравнительно низкими защитными свойствами обладает газойль каталитического крекинга. Защитные свойства мало зависят от фракционного состава. Зимнее и летнее топлива, полученные по одинаковой технологии, обладают примерно одинаковым защитными свойствами. Причиной повышенной коррозии и износа является присутствие в топливе металлов. [3]

        Топлива в дизельных двигателях являются смазочным материалом для движущихся деталей топливной аппаратуры, трущихся пар плунжерных топливных насосов. В связи с этим они должны обладать хорошими противоизносными свойствами. Оценку противоизносных свойств дизельных топлив проводили в результате измерения износа плунжеров полноразмерной топливной аппаратуры после проведения длительных испытаний. Так, установлено, что при снижении содержания серы в дизельном топливе с 1,0 до 0,03% уменьшается износ плунжеров в 2 раза, при этом особенно сильно влияют на износ меркаптаны. По аналогии с топливами для реактивных двигателей можно было полагать, что кроме сернистых соединений на противоизносные свойства дизельных топлив может влиять вязкость, кислотность и присутствие воды.

       1.2 Современные и перспективные требования к дизельным топливам

Содержание воды, механических примесей и зольность являются нежелательными составляющими котельных топлив, так как присутствие их ухудшает экономические показатели работы котельного агрегата, увеличивает коррозию хвостовых поверхностей его нагрева.[2]

       Большая стойкость эмульсий обусловлена высокой вязкостью мазута и наличием в нем поверхностно-активных асфальтено-смолистых стабилизаторов.  С повышением температуры эмульсии разрушаются вследствие уменьшения поверхностного натяжения и вязкости. В то же время наличие воды, равномерно распределенной по всему объему, оказывает положительное влияние на эксплуатационные свойства топлив. Испарение мелкодисперсных частиц воды происходит мгновенно в виде «микровзрыва», процесс сгорания протекает плавно и с достаточной полнотой, что приводит к снижению удельного расхода топлива и дымности отработавших газов. Равномерное распределение и образование воды в виде мелкодисперсных частиц обеспечивается с помощью специальных устройств: кавитаторов, смесителей. Механические примеси засоряют фильтры и форсунки, нарушая процесс распыливания топлива. Установлены требования к содержанию механических примесей: для мазута марки 40 — не более 0,5 %, марки 100 — не более 1,0 %. Фактически топочные мазуты вырабатывают с более низким содержанием механических примесей — до 0,2 % и лишь на отдельных нефтеперерабатывающих предприятиях эти значения приближаются к установленным по ГОСТ 10585-75.[2]

         В последние годы во всех странах мира наблюдается увеличение потребления дизельного топлива, одновременно ужесточаются требования к его качеству. В РФ действуют два стандарта на дизельные  топлива: ГОСТ 303–82 и ГОСТ Р 52368–2005. Последний соответствует требованиям европейского стандарта EN 590. Основными стимулами увеличения выработки дизельных топлив «Евро» являются требования иностранных покупателей и введение в действие технического регламента. Вместе с тем техника, находящейся в эксплуатации более 10–15 лет, для которой требуется дизельное топливо, вырабатываемое по ГОСТ 305 с содержанием серы до 0,2%. В последние годы наблюдается стабильное увеличение мирового спроса на дизельное топливо. [2]

         В мае 2007 г. Европейский Совет одобрил введение новых стандартов Евро5 и Евро6. Согласно Евро5, выбросы оксидов азота не должны превышать 180 мг/км, а выбросы твердых частиц снижаются с 25 до 5 мг/км. Вступающий в силу в сентябре 2014 г. стандарт Евро6 ограничивает содержание оксидов азота не более 80 мг/км. По сравнению с Евро4 снижение NOx должно составить около 70%, а твердых частиц – 80%. Кроме ограничения содержания вредных веществ, пристальное внимание уделяется проблеме снижения содержания углекислого газа, вызывающего «парниковый эффект» и глобальное изменение климата.[2]

В Канаде с 1 июня 2006 г. действует стандарт, ограничивающий содержание серы до 15 ppm. Европейский стандарт EN 590 за последние десятилетия претерпел существенные изменения: содержание серы снижено с 0,05 до 0,001%, цетановое число увеличено с 49 до 51 ед., конец кипения топлива снижен на 10°С (с 370 до 360°С), установлены ограничения на плотность топлива. В 2000 г. введено четыре новых показателя и установлены нормы на них: содержание полициклических ароматических углеводородов, смазывающая способность, окислительная стабильность, цетановый индекс. В 2005 г. в EN 590 введен дополнительный показатель – содержание сложных эфиров жирных кислот, что свидетельствует о рынке биодзельного топлива: в 2005 г. – до 5%, в 2009 г. – до 7%. В сентябре 2009 г. вступил в силу новый стандарт EN 590:2008, заменяющий EN 590:2004.

       Основные отличия нового стандарта:

       • ограничение содержания серы в топливе не более 10 ppm;

        • введение нового метода определения цетанового числа в качестве альтернативного (Ignition Quality Tester – EN 15195);

      • уточнение ряда методов испытаний для дизельных топлив, содержащих эфиры жирных кислот.

        В некоторых европейских странах существуют дополнения к общему стандарту EN 590 на дизельные топлива. Особое внимание отводится удельной электропроводности дизельных топлив. Минимальное значение удельной электропроводности дизельного топлива должно составлять 150 пСм/м при 20°С.[2]

        Страны ЮгоВосточной Азии нацелены на приведение своих стандартов на топлива в соответствие со стандартами США и Европейского Союза. Япония, Китай и Южная Корея перешли на производство высококачественных низкосернистых дизельных топлив с содержанием серы до 50 ppm. Это объясняется тем, что внедорожная техника потребляет около 10% от всего производимого топлива, но ее вклад в загрязнение атмосферы намного превосходит загрязнения от автотранспорта. Поэтому Европейский Парламент предлагает унифицировать требования к дизельному топливу для дорожных и внедорожных автотранспортных средств (350 ppm и менее).  В США с июня 2012 г. содержание серы в дизельных топливах для железнодорожного транспорта и морских судов будет ограничено до 15 ppm. В России главным нормативным документом, по которому изготавливается до 70% дизельных топлив, является ГОСТ 305. По содержанию серы в ГОСТ 305 установлено два вида топлива до 0,2% и до 0,05% (для этого топлива введен показатель смазывающей способности). В соответствии с требованиями Регламента содержание серы 0,5% исключено из стандарта. ГОСТ 305 действует с 1982 г. и давно морально устарел. Введение каких либо дополнений в ГОСТ 305 встречено протестом со стороны военных. На территории РФ действует также национальный стандарт ГОСТ Р 52368, разработчиком которого является ОАО «ВНИИИ НП». Показатели качества этого стандарта соответствуют европейской нормали EN 590. Исключение составляет содержание серы – 0,035% для дизельных топлив Евро3.[2]

       Регламент допускает выпуск в оборот дизельного топлива, используемого для сельскохозяйственной и внедорожной техники (это техника тепловозная и судовая, техника, работающая в карьерах, а также газотурбинные энергетические установки). Для этой техники предусмотрены отступления по показателям: содержание серы – до 0,2%, цетановое число – не менее 45 ед., при этом содержание полициклических ароматических углеводородов и смазывающая способность не нормируются. Выпуск такого топлива разрешен в течение трех лет со дня опубликования регламента, т.е. до 5 сентября 2011 г.  В 2008 г. в России выработано 65,8 млн т дизельного топлива (без Газпрома и миниНПЗ) . По содержанию серы: 7,3% от общего объема производства с содержанием серы до 0,5% (4,8 млн т), 65,8% – с содержанием серы до 0,2% и 18,4,%, т.е. 12,1 млн т – это дизельные топлива Евро3, 4, 5. При этом объем производства летнего топлива – 85%, зимнего – 14%, арктического – 1% от общего объема производства. НПЗ начиная с 2003 г. вырабатывают дизельное топливо с содержанием серы 350 ppm и с 2005 г. с содержанием серы 50 и 10 ppm.[2]

 2 Принципиальная схема установки. Описание схемы установки

1- конвейер; 2- бункер; 3- питатели; 4- мельница; 5- короб первичного воздуха; 6- нижний распределительный коллектор; 7- короб вторичного воздуха ; 8- горелки; 9- топка; 10- опускные трубы; 11- экраны; 12- обмуровка; 13- каркас; 14- барабан; 15- ширмовые перегреватели; 16- конвективные перегреватели; 17- промежуточный перегреватель; 18- экономайзер; 19 -  воздухоподогреватель; 20 -  дутьевой вентилятор; 21- золоуловителях ; 23 -  дымовая труба; 22 -  дымосос; 24 – каналы; 25 -  шлакоудаляющие устройства

       Рисунок 1 - Схема котельной установки

       В зависимости от назначения котельная установка состоит из котла соответствующего типа и вспомогательного оборудования, обеспечивающего его работу. Котел — это конструктивно объединенный в одно целое комплекс устройств для получения пара или для нагрева воды под давлением за счет теплоты сжигаемого топлива, при протекании технологического процесса или преобразовании электрической энергии в тепловую.

        Нагревательной поверхностью является экономайзер 18, предназначенный для подогрева или для подогрева и частичного испарения питательной воды, поступающей в котел.

       Испарительные поверхности нагрева размещают в топке 9 в области наиболее высоких температур или в газоходе, расположенном за топкой. Экраны 11 — это поверхности нагрева котла, расположенные на стенах топки и газоходов и ограждающие их от воздействия высоких температур.

        Перегреватели (перегревательные поверхности нагрева) могут быть радиационными, ширмовыми и конвективными. Ширмовые перегреватели 15 — поверхности нагрева, в которых ширмы расположены с большим поперечным шагом (не менее пяти диаметров трубы), — получают теплоту газов излучением и конвекцией примерно в равных количествах.