ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ  ИССЛЕДОВАНИЕ  ВЛИЯНИЯ  ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ  НА  ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ  ХАРАКТЕРИСТИКИ  ТОПОЧНОГО  МАЗУТА

Ткач  Надежда  Сергеевна

аспирант  кафедры  Инженерных  систем  зданий  и  сооружений,  Дальневосточный  Федеральный  Университет,  РФ,  г.  Владивосток

E-mail:  tkach .ns@dvfu.ru

Еськин  Антон  Андреевич

преподаватель  кафедры  Инженерных  систем  зданий  и  сооружений,  Дальневосточный  Федеральный  Университет,  РФ,  г.  Владивосток

Рудинков  Александр  Сергеевич

студент  3-го  курса  кафедры  Инженерных  систем  зданий  и  сооружений,  Дальневосточный  Федеральный  Университет,  РФ,  г.  Владивосток

EXPERIMENTAL  RESEARCH  THE  INFLUENCE  OF  MOISTURE  CONTENT  ON  FUEL  OIL  THERMAL  CHARACTERISTICS

Tkach  Nadezhda

postgraduate   student  of  department  Engineering  systems  of  buildings  and  constructions,  FEFU,  Russia,  Vladivostok

Eskin  Anton

lecturer  of  department  Engineering  systems  of  buildings  and  constructions,  FEFU,  Russia,  Vladivostok

Rudinkov  Alexander

student  of  department  Engineering  systems  of  buildings  and  constructions,  FEFU,  Russia,  Vladivostok

Исследование  выполнено  при  поддержке  Программы  «Научный  фонд»  ДВФУ,  грант  №  12-08-13023-м-18/13.

АННОТАЦИЯ

Проведено  экспериментальное  исследование  физических  и  теплотехнических  свойств  обводненных  мазутов.  Представлена  графическая  зависимость  влияния  влагосодержания  на  теплотворную  способность  топлива.  Определено,  что  при  обводнённости  водомазутных  шламов  до  50—60  %  возможна  их  утилизация  при  совместном  сжигании  с  топочным  мазутом  в  соотношении  7—8  %  присадки  на  массу  эталонного  мазута  с  влагосодержанием  1  %.

abstract

The  experimental  research  of  the  physical  and  thermal  characteristics  of  fuel  oil  flooded  is  conducted.  Graphical  depiction  of  the  influence  of  moisture  content  on  the  calorific  value  of  fuel  presented.  Determined  that  the  water  content  of  water-oil  sludge  to  50—60  %  of  the  possible  utilization  when  co-firing  with  fuel  oil  at  a  ratio  of  7—8  %  by  weight  of  additives  reference  oil  with  moisture  content  1  %.

Ключевые  слова:  водомазутные  шламы;  флотопена;  влагосодержание;  мазут;  утилизация.

Ключевые   слова:  water-oil  sludge;  flotation  foam;  moisture  content;  oil;  recycle.

В  последние  десятилетия  вопросам  охраны  окружающей  среды  уделяется  все  большее  внимание.  Одним  из  сложных  для  утилизации  видом  отходов  являются  водомазутные  шламы  промышленных  предприятий,  полученные  в  ходе  тонкослойного  отстаивания  или  флотации  сточных  вод.  Одним  из  возможных  способов  утилизации  такого  вида  отходов  является  их  совместное  сжигание  с  мазутом  в  топках  котлов.  Однако  присутствие  воды  в  топочном  мазуте  снижает  теплоту  сгорания  и  увеличивает  его  расход,  а  также  уменьшает  КПД  котельной  установки,  нарушает  режим  горения  топлива  [5].  Неравномерное  распределение  воды  в  массе  топлива  (послойно  или  отдельными  гнездами)  может  привести  к  пульсации  факела,  затуханию  форсунок  и  к  взрывам  в  топке,  что  приводит  к  повреждению  форсунок  (эрозионное  или  взрывное  разрушение)  вследствие  быстрого  расширения  водяного  пара  в  горячем  сопле  форсунки.

При  применении  обводненных  мазут,  особенно  сернистых,  повышается  коррозия  оборудования  мазутного  хозяйства  и  хвостовых  поверхностей  нагрева  котельной  установки  дымовыми  газами  вследствие  увеличения  их  влажности.  Также  большое  количество  влаги  в  топливе  может  вызывать  коррозию  резервуаров  и  оборудования  и  активизирует  процесс  накопления  осадков  на  дне  топливных  цистерн.

Конечное  влагосодержание  водомазутных  шламов  может  составлять  до  80%,  в  то  время  как  техническими  условиями  на  эксплуатацию  котельных  установок  содержание  воды  ограничено  до  5  %  в  топочных  мазутах  [5].  Из  этого  условия  может  быть  определена  количественная  величина  присадок  к  эталонному  мазуту. 

Отбор  пробы  эталонного  мазута  был  произведен  на  котельной  №  61  Артёмовского  КГУП  ПТЭ  через  пробоотборный  патрубок  на  боковой  поверхности  резервуара  №  4,  проба  водомазутного  шлама  взята  на  каскадной  нефтеловушке-отстойнике,  проба  флотопены  получена  на  экспериментальной  установке  флотационной  очистки.

Анализ  проб  топочного  мазута  и  нефтешламов.

В  работе  [8]  представлены  эмпирические  зависимости,  позволяющие  определить  теплотворную  способность  мазута,  на  основании  полученных  в  ходе  экспериментальных  исследований  параметров  влаги,  золы,  серы,  температуры  вспышки,  кинематической  вязкости,  плотности.

Определение  количества  влаги.

Определение  количества  влаги  в  мазуте  проводилось  методом  Дина-Старка  [2].  Пробу  эталонного  мазута  подогрели  в  сушильном  шкафу  при  100  ⁰С  в  течение  20  минут.  К  100  мл  пробы  добавили  200  мл  растворителя  Нефрас  и  перелили  в  круглодонную  колбу.  Колбу  установили  в  колбоподогреватель  и  соединили  с  ловушкой  и  холодильником.  Пары  воды,  образующиеся  при  подогреве  колбы,  поднимаются  в  холодильник,  где  остывают  и  конденсируются.  Конденсат  стекает  в  мерную  ловушку.  Отгонку  проводят,  пока  количество  воды  в  ловушке  не  перестанет  изменяться.  Объем  отгона  составил  7,2  мл,  значит  обводненность  топочного  мазута  7,2  %. 

Для  приближения  значения  влагосодержания  топочного  мазута  к  нормативному  [5]  лишняя  влага  была  удалена  путем  термоотстоя  с  NaCl  в  течение  4-х  часов,  после  чего  опыт  был  повторен.  Итоговая  обводненность  мазута  составила  1  %.

Определение  обводненности  проб  нефтешлама,  отобранного  на  нефтеловушке,  и  флотопены,  полученной  на  экспериментальной  установке  флотационной  очистки,  проводили  аналогично  с  топочным  мазутом.  Обводненность  пробы  с  нефтеловушки  составила  48,8  %,  а  пробы  флотопены  —  62,2  %.

Определение  зольности.

Определение  зольности  проводилось  по  ГОСТ  1461-75  [1].  Тигли  прокалили  в  муфельной  печи  при  температуре  800—850  ⁰С  до  постоянной  массы.  На  дно  тиглей  поместили  фильтровальную  бумагу,  затем  добавили  навески  исследуемых  проб:

·     эталонный  мазут  —  навеска  3,2013  гр.

·     нефтешлам  с  нефтеловушки  —  навеска  4,0340  гр.

·     флотопена  —  навеска  4,1220  гр.

Навески  закрыли  фильтровальной  бумагой,  сложенной  конусом,  и  поставили  на  подогреватель  в  вытяжном  шкафу,  чтобы  конусы  пропитались  пробой,  после  чего  конусы  подожгли.  Тигли  с  прогоревшими  фильтрами  переставили  в  муфельную  печь  на  2  часа  и  довели  до  постоянного  веса.

Зольность  испытуемого  продукта  в  процентах  определяется  формулой:

                                           (1)

где:  —  масса  испытуемого  продукта,  г;

  —  масса  золы,  г;

—  масса  золы  двух  бумажных  фильтров  (масса  золы  фильтра  указана  на  упаковке  фильтра),  г.

Результаты  вычислений  представлены  диаграммой  (Рис.  1).

Рисунок  1.  Содержание  золы  в  топочном  мазуте  и  нефтешламах

Определение  сернистости.

Сернистые  соединения  нефтей  являются  нежелательными  из-за  их  способности  вызывать  коррозию  [7].

Определение  сернистости  мазута  проводилось  на  Атомно-Эмиссионном  Рентгеновском  Спектрометре.  Образец  мазута  перелили  в  кювету,  которую  устанавливают  в  Атомно-Эмиссионный  Спектрометр  АСЭ-1.  Режим  облучения  «Сера  1—5  %,»  происходит  облучение  пробы  рентгеновскими  лучами.  После  звукового  сигнала  на  экране  отображается  готовое  значение.  Содержание  серы  в  пробе  мазута  составило  0,93  %.

Содержание  серы  S  до  1  %  говорит  о  хорошем  качестве  мазута:  горение  будет  происходить  с  минимальным  загрязнением  атмосферы  и  наименьшим  вредом  для  рабочих  поверхностей  котла.

Содержание  серы  проб  нефтешламов  принимается  равным  аналогичному  показателю  эталонного  мазута,  так  как  при  создании  водонефтяной  эмульсии  эта  характеристики  практически  не  изменяется.

Определение  температуры  вспышки  и  температуры  воспламенения.

Температура  вспышки  —  параметр,  характеризующий  пожароопасность  топлива,  безопасность  его  применения  и  условия  хранения  [7].  Температурой  вспышки  называется  температура,  при  которой  нефтепродукт,  нагреваемый  в  определенных  условиях,  выделяет  такое  количество  паров,  которое  образует  с  окружающим  воздухом  смесь,  вспыхивающую  при  поднесении  к  ней  пламени  [3].

Определение  температуры  вспышки  и  температуры  воспламенения  проводилось  по  методу  Кливленда  [3].  Проба  переливается  в  тигель,  который  устанавливается  на  рабочую  поверхность.  Температура  мазута  измерялась  контактным  термометром.  При  температурах  выше  70  ⁰С  наблюдалось  активное  кипение  и  испарение  водной  части.  После  145  ⁰С  кипение  уменьшилось,  после  150  ⁰С  к  пробе  подносилась  зажженная  спичка  с  интервалом  2  ⁰С.  Температура  вспышки  t_всп  составила  168  ⁰С.

После  повышения  температуры  мазута  на  10  ⁰С  к  пробе  снова  подносилась  зажженная  спичка  с  интервалом  2  ⁰С. 

Температура,  при  которой  продукт  при  поднесении  пламени  загорается  и  продолжает  спокойно  гореть  не  менее  5  с.,  называется  температурой  воспламенения  [3].  Температура  воспламенения  t_воспл  составила  190  ⁰С.

Определение  плотности.

Пробу  помещают  в  мерный  цилиндр,  избегая  разбрызгивания  мазута  и  попадания  пузырьков  воздуха.  В  пробу  помещают  ареометр  и  оставляют  его  в  положении  равновесия,  обеспечивают  медленное  погружение  ареометра  в  пробу.  Через  некоторое  время,  когда  погружение  ареометра  прекращается,  считывают  показания  по  плотности.  После  этого  вынимают  ареометр  и  считывают  показания  температуры  испытываемой  пробы  [4].

Показания  ареометра:  977  г/см³  при  температуре  20  ⁰С.  Вводится  поправка  на  мениск,  которая  составляет  0,0014.  Так  как  температура  испытания  составила  20  ⁰С,  что  и  требуется  по  технологии,  то  поправка  на  температуру  не  вводилась.  Итоговое  значение  плотности  мазута  составило  978,4  г/см³.

Определение  кинематической  вязкости

Определение  вязкости  мазута  проводилось  на  вискозиметре  VISCOMAR  при  50  ⁰С.  В  цилиндр  опускался  металлический  шар  соответствующего  калибра  и  заливалась  проба.  Цилиндр  установили  в  прибор,  через  15  минут  плотно  закрыли  крышкой.  При  установившемся  режиме  переворачиваем  цилиндр,  устройство  измеряет  вязкость,  значение  которой  отображается  на  экране.  Испытание  проводили  6  раз.  Из  3  ближайших  значений  определили  среднее. 

Среднее  значение  показаний  вискозиметра  составило  497,3  сСт.  Полученное  значение  необходимо  разделить  на  плотность:

                                                 (2)

где:  μ  —  показания  вискозиметра,  сСт;

—  действительная  вязкость,  сСт;

  —  плотность  мазута,  г/см³.

По  номограмме  перевели  полученную  вязкость  при  50  ⁰С  в  вязкость  при  80  ⁰С.  Итоговое  значение  составило  94  сСт.

Определение  максимально  допустимого  количества  присадок  к  топочному  мазуту.

При  утилизации  обводненных  нефтеотходов  важно  чтобы  их  количество  не  оказывало  существенного  отрицательного  влияния  на  процессы  горения.  Для  определения  максимально  допустимого  количества  присадок  к  топочному  мазуту,  необходимо  решить  задачу  на  смешение  растворов  с  разной  концентрацией. 

Тогда  к  100  мл  эталонного  мазута  необходимо  добавить:

·     пробы  с  нефтеловушки:

  мл

·     пробы  флотопены:

  мл

Были  приготовлены  две  смеси:

·     к  100  мл  эталонного  мазута  добавили  10  мл  пробы  с  нефтеловушки;

·     к  100  мл  эталонного  мазута  добавили  7  мл  пробы  флотошлама;

Обе  смеси  нагревали  в  сушильном  шкафу  при  температуре  100  ⁰С  в  течение  2  часов,  перемешали  на  смешивающем  устройстве  ЛАБ-ПУ-02  в  течение  4  часов,  после  чего  снова  поставили  в  сушильный  шкаф  на  ночь.

Итоговое  влагосодержание  смесей,  определенное  по  методу  Дина-Сатарка,  составило:

·     100  мл  эталонного  мазута  +  10  мл  пробы  с  нефтеловушки  —  4,4  %;

·     100  мл  эталонного  мазута  +  7  мл  пробы  флотошлама  —  3,6  %  .

Теплотворная  способность  мазута.

Оценка  влияния  влагосодержания  на  низшую  теплоту  сгорания  топливатоплива  с  поправкой  на  содержание  серы,  воды  и  золы  проводилась  по  зависимости  [6]:

    (3)

где:    —  низшая  теплота  сгорания,  ккал/кг;

  —  плотность  топлива  при  20  ⁰С,  кг/м³;

  —  массовая  доля  воды; 

  —  массовая  доля  золы;

  —  массовая  доля  серы.

По  результатам  расчета  построена  графическая  зависимость  (Рис.  2). 

Рисунок  2.  Влияние  влагосодержания  W^p  на  теплотворную  способность  топлива  Q_н^р

Вывод.

Для  определения  максимально  допустимого  количества  присадок  к  топочному  мазуту  были  проведены  лабораторные  исследования  характеристик  эталонного  мазута  и  нефтешлама,  отобранного  на  каскадной  нефтеловушке-отстойнике,  и  флотошлама,  полученного  на  экспериментальной  установке  флотационной  очистки  нефтесодержащих  сточных  вод. 

При  обводненности  водомазутных  шламов  на  50—60  %  возможна  их  утилизация  при  совместном  сжигании  с  топочным  мазутом  в  соотношении  7—8  %  присадки  на  массу  топлива. 

Список  литературы:

1.ГОСТ  1461-75  Нефть  и  нефтепродукты.  Метод  определения  зольности  Введ.  1997-07-01.  М.:  Изд-во  стандартов,  1997.  —  5  с.

2.ГОСТ  2477-65  Нефть  и  нефтепродукты.  Метод  определения  содержания  воды.  Введ.  1966-01-01.  М.:  Изд-во  стандартов,  1965.  —  7  с.

3.ГОСТ  4333-87  Нефтепродукты.  Методы  определения  температур  вспышки  и  воспламенения  в  открытом  тигле.  Введ.  1988-07-01.  М.:  Стандартформ,  2005.  —  8  с.

4.ГОСТ  3900-85  Нефть  и  нефтепродукты.  Методы  определения  плотности.  Введ.  1987-01-01.  М.:  Изд-во  стандартов,  1985.  —  36  с.

5.Лосиков  Б.В.  Нефтепродукты.  Свойства,  качество,  применение.  М.  Издательство  "Химия",  1966  г.  —  776  с.

6.Ранд  С.Дж.  Анализ  нефтепродуктов.  Методы,  их  назначение  и  выполнение  Пер.  с  англ.  8-го  изд.  (2010  г.,  Significance  of  Tests  for  Petroleum  Products)  под  ред.  Новикова  Е.А.,  Нехамкиной  Л.Г.  2012  г.  —  664  стр.

7.Школьников  В.М.  (ред.)  Горючие  смазочные  материалы  Энциклопедический  толковый  словарь-справочник.  Изд.  2-е.  /  М.:  ООО  «Издательский  центр  «Техинформ»  Международной  Академии  Информатизации»,  2010.  —  756  c.

8.Щеголев  М.М.,  Гусев  Ю.Л.,  Иванова  М.С.  Котельные  установки/Учебник  для  ВУЗов.  М.  Стройиздат,  1972  —  384  с.