Нефть как топливо
Опубликовано: 27 июля 2011 г.
16907
М. Иванов, к. х. н.
Несмотря на известное высказывание Д.И. Менделеева, что нефть – не топливо, а топить можно и ассигнациями, сырая нефть и сегодня сжигается и используется в качестве энергоносителя. В ряде случаев использование сырой нефти как топлива оправдано.
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
Нефть представляет собой набор углеводородов (алканы, арены, нафтены), а также смесь иных органических веществ, содержащих серу, азот и кислород.
Алканы (или парафины) – предельные углеводороды линейного или разветвленного строения. Химически устойчивы и хорошо горят с выделением большого количества тепла и с образованием (в основном) двуокиси углерода и воды. Низшие парафины (число атомов углерода в углеводородном скелете до 4) являются газообразными веществами, растворимы в жидких и вязких средах. Компоненты нефти с числом атомов углерода от 5 до 16 представляют собой жидкости, а вещества с большим числом атомов углерода являются твердыми веществами.
Нафтены – вещества циклического строения и полициклические соединения с длинными линейными заместителями.
Группа аренов состоит из соединений ароматического строения. Эти вещества при горении дают много копоти.
Кроме углеводородных компонентов, в состав нефти входят асфальто-смолянистая часть, порфирины, серосодержащие соединения, а также зольная часть.
В свою очередь асфальто-смолянистая составляющая нефти делится на растворимую долю – асфальтен и нерастворимую – смолу. В эту составляющую входят относительно высокомолекулярные компоненты сложного строения. Они имеют высокую температуру кипения. При нагреве разлагаются и осмоляются, горение сопряжено с большим выделением дымов.
В подгруппу «порфирины» входят органические азотосодержащие соединения. В процессе сжигания за счет окисления кислородом воздуха наряду с обычными продуктами горения образуются оксиды азота различного строения.
Группа серосодержащих соединений в нефти представлена в основном меркаптанами различного строения и тиосоединениями. Горение этих продуктов приводит к окислению серы с образованием оксидов.
Зольная часть – это вещества, которые образуются при сжигании нефти, и в основном содержат оксиды железа, ванадия, хлориды различных металлов и других неорганических соединений.
Наличие в нефти большого числа компонентов вынуждает проводить ее разделение. Самым распространенным способом фракционирования нефти является ее перегонка, при которой происходит разделение на отдельные фракции в зависимости от температуры кипения этих соединений. При перегонке нефти при атмосферном давлении собирается несколько фракций: легкая и тяжелая бензиновые, керосиновая и фракция дизельного топлива.
Кубовый остаток, получаемый после отгона, называется мазутом. Мазут, в свою очередь, тоже может быть подвергнут перегонке, но уже при пониженном давлении. Из него дополнительно выделяют легколетучие компоненты бензиновой фракции. Оставшиеся в кубе вещества в дальнейшем подвергаются термическому и каталитическому расщеплению с целью получения осколков углеводородов сложного строения, которые являются легколетучими веществами.
Чаще всего продукты фракционирования нефти находят применение в химической промышленности, строительстве и в виде топлива. Обычно в качестве топлива для котельных и ТЭЦ используются дизельное топливо и мазут.
Сырая нефть является довольно калорийным видом топлива. Обычно ее теплота сгорания составляет около 10 000 Ккал/кг. Для сравнения калорийность мазута при расчетах обычно принимается 9 800 Ккал/кг, а теплотворность дизельного топлива составляет 11 000 Ккал/кг. Однако при сжигании сырой нефти необходимо учитывать, что она содержит значительное количество (в некоторых видах до 5 %) сернистых соединений, довольно приличную долю азотосодержащих продуктов и тяжелые остатки. Все эти составляющие нефти при сжигании могут наносить вред окружающей среде. Так, сернистые примеси нефти и тяжелые остатки будут вызывать образование ядовитых дымов с большим содержанием сажи, а значительное содержание азотосодержащих соединений приводит к относительно высокой концентрации в дымовых газах опасных окислов азота. Поэтому согласно законодательству ряда стран по охране окружающей среды, в том числе и России, запрещается использовать сырую нефть в качестве топлива для котельных. Однако правило это часто нарушается. Не только в России, но и в некоторых других нефтедобывающих странах, например, Саудовской Аравии, где потребление сырой нефти для нужд электроэнергетики постоянно растет, особенно в периоды пиковой нагрузки.
Вред от сжигания сырой нефти очевиден, и не только для окружающей среды, но и для используемого оборудования. Газовая коррозия металлов, образование нагара в топках и отложения кокса на форсунках, приводящие к частым остановкам котлоагрегата для чистки, – самые распространенные примеры разрушительного использования сырой нефти в качестве топлива. Однако использование особого оборудования и применение безопасных режимов его эксплуатации позволяют снизить это вредное влияние. Безопасное сжигание сырой нефти производится на подготовленном оборудовании, на котором проведены пусконаладочные работы по минимизации вредных выбросов.
Для безаварийного безопасного сжигания сырой нефти в котельных необходимо, чтобы именно этот вид топлива был заложен в проектное задание еще на стадии проектирования теплоэнергетического оборудования. В случае уже построенных предприятий энергетики для их перевода на это топливо необходимо создание специального проекта, где предусматривается требуемое оборудование для обеспечения топливоподготовки сырой нефти. В числе этого оборудования должны быть фильтры грубой и тонкой очистки нефти от механических примесей, поскольку в этом виде топлива могут присутствовать не только песок и мелкие камни, но также отложения твердых парафинов.
Для подачи топлива должны устанавливаться нефтяные насосы, а также подогреватели нефти. Обычно используется несколько подогревателей. Первичный подогрев топлива проводится для удобства перекачки и облегчения фильтрации. Часто для этой цели используют теплообменник высокого давления, работающий в условиях «жидкость – топочные газы». Для нагрева в него поступают газы от сжигания нефти или иного топлива, а по трубному пространству течет топливо. Затем нефть подвергается обессоливанию путем промывки водой, при этом происходит образование водно-нефтяной эмульсии, которая улучшает процесс горения. После этого обычно топливо подвергают еще одному нагреву для того, чтобы понизить ее вязкость до необходимых величин, позволяющих перекачивать нефть по трубопроводам и создавать в них соответствующее давление для плодотворной работы горелок.
Для непосредственного сжигания сырой нефти должны использоваться особые автоматизированные горелки с ротационными форсунками. Одним из производителей таких горелок является фирма Saacke (Германия). Эффективность работы таких горелок заключается в механическом способе распыления жидкого топлива (см. «ПКМ» № 1(6), 2011 г., стр. 21). Такие горелки позволяют достичь высоких степеней распыления сырой нефти. Поэтому при ее сжигании происходит наиболее полное сгорание, что приводит к повышенному тепловыделению, но и снижению вредных выбросов в атмосферу.
Сырая нефть как топливо по своим показателям близка к мазуту. Поэтому многие производители жидкотопливных горелок для котлов наряду с мазутом допускают использование и сырой нефти. Так, например, на ней могут работать горелки фирмы AR-CO (Италия), Energy Logic (США), Max Weishaupt GmbH (Германия), а также фирмы Kroll (Германия), горелки которой серий ЕК DUO S и RPD S имеют мощность от 1 500 до 7 000 кВт и от 670 до 45 000 кВт, соответственно.
Жидкотопливные горелки, способные сжигать сырую нефть без предварительной обработки, целесообразно устанавливать в предназначенных для этого котлах. Такое оборудование выпускают зарубежные и отечественные производители. Так, ООО «ТПК Котломаш» (Москва) предлагает котельные установки марки ТКУ-0,7, созданные на базе котлов, Е-1,0-0,9М (ПКН-2М), работающие на сырой нефти. Установка ТКУ-07 М имеет производительность по пару 1 т/ч, а рабочее давление составляет 80 атм, при этом КПД составляет 88 %.
Кроме как в топках котлов, сырая нефть может сжигаться и в печах. Конечно, при этом горение не такое эффективное, а уходящие дымы несут много копоти. Но, тем не менее, этот процесс осуществляется там, где иное топливо достать сложно, либо доступность сырой нефти настолько высока, что она не выходит из обращения.
Котел паровой E 1,0-0,9 МЗ для работы на мазуте и сырой нефти
Часто для сжигания сырой нефти используют после небольших переделок печи, предназначенные для твердого топлива. Переделки заключаются в том, что вместо колосниковой решетки устанавливается глухая заслонка в виде сплошного металлического листа. На эту заслонку монтируется безнапорная горелка с трубопроводом для подачи топлива. Работа этого устройства заключается в предварительном розжиге и регулировании подачи топлива запорным вентилем на топливном трубопроводе.
Кроме перечисленного, сырая нефть может использоваться в качестве топлива для газовых турбин, которые применяются на ТЭЦ в составе стационарных газотурбинных и парогазовых установок. Газовые турбины, способные к работе на сырой нефти, выпускаются различными производителями, одним из которых является фирма Alstom (Франция). Эти турбины могут использоваться как в простом, так и в комбинированном цикле производства электроэнергии и тепла.