ISTRAŽIVANJE TERMIČKE DEZINTEGRACIJE TEŠKIH TEČNIH GORIVA U FLUIDIZOVANOM SLOJU

Transcription

1 ISTRAŽIVANJE TERMIČKE DEZINTEGRACIJE TEŠKIH TEČNIH GORIVA U FLUIDIZOVANOM SLOJU RESEARCH OF THERMAL DESINTEGRATION OF HEAVY LIQUID FUEL IN FLUIDISED BED Milica Mladenović, Dragoljub Dakić, Stevan Nemoda, Srđan Belošević, Rastko Mladenović, Aleksandar Erić, Branislav Repić Institut za nuklearne nauke VINČA, Laboratorija za termotehniku i energetiku Mihajla Petrovića Alasa 1214, Beograd, p.p. 522 Abstract: Predmet rada je razvoj tehnologije za spaljivanje tečnih goriva visokih gustina tzv. teških tečnih goriva TTG, na ekološki prihvatljiv način. U ova goriva spadaju talozi u rezervoarima sirove nafte i teški produkti frakcione destilacije komercijalnih tečnih goriva, zatim iskorišćene tečne materije i emulzije u procesnoj, petrohemijskoj i metalurškoj industriji, a koji samostalno ili uz dodavanje klasičnih goriva mogu da gore. Ovakve materije, po pravilu, uzrokuju velike operativne probleme u industriji usled otežane manipulacije, smanjenja kapaciteta rezervoara u kojima se talože i stoga što su štetne materije obično više zastupljene u sastavu TTGa, pa je njihovo odlaganje skopčano sa velikim ekološkim problemima. Zbog neujednačenog sastava, velikog sadržaja vlage i mineralnih primesa, a posebno velike gustine i viskoznosti, ove materije se teško mogu sagorevati u uobičajenim uređajima za sagorevanje tečnih goriva, pa se kao rešenje nameće tehnologija termičke dezintegracije u fluidizovanom sloju, koji omogućava sagorevanje materija najrazličitijeg porekla i neujednačenog sastava, uz smanjenje emisije polutanata i veliku termičku inertnost postrojenja. U radu je dat opis aparature i eksperimentalnog postupka, a potom i detaljan prikaz eksperimentalnih rezultata. Abstract: The topic of this paper is the development of technology for incineration of highdensity liquid fuels i.e. heavy liquid fuelhlf, in an environmentally friendly way. These fuels include sediments from crude oil tanks and heavy products of fractional distillation of commercial liquid fuel, and also used liquids and emulsions from chemical, petrochemical and metallurgical industries, which can combust on their own or with the addition of classic (conventional) fuels. These matters cause, as a rule, serious problems in operation in industry, owing to difficult fuel handling, the decreasing capacity of tanks in which they are stored, and due to the fact that these fuels contain more harmful components than commercial fuels, which links their storage to great environmental problems. Nonuniform composition, high contents of impurities (water, mineral matter), and especially high density and viscosity, makes HLF very difficult to be incinerated in common liquid fuel combustion facilities (furnaces, boilers). The solution is thermal disintegration of HLF in the fluidized bed, which enables matters of quite different origin and nonuniform composition to be incinerated, with decreasing the emission of pollutants and a high thermal inertia of the facility. In this paper, a description is given of

2 the aparatus and the experimental procedure, as well as a detailed review of experimental results. Key words: heavy liquid fuel, fluidized bed, crude fuel oil, used lubricating oil 1. UVOD Pod teškim tečnim gorivima TTG, podrazumevaju se one materije koje sadrže veliku količinu teških ugljovodonika i smola tako da u normalnim atmosferskim uslovima imaju veliku viskoznost ili su u čvrstom stanju, a mogu samostalno ili uz dodavanje klasičnih goriva da gore. U industrijiskoj proizvodnji ove materije se javljaju kao nuzproizvod u vidu taloga u rezervoarima i teških produkata frakcione destilacije komercijalnih tečnih goriva, zatim iskorišćenih tečnih materija i emulzija u procesnoj, petrohemijkoj i metalurškoj industriji, uzrokujući velike operativne probleme usled otežane manipulacije i smanjenja kapaciteta rezervoara u kojima se nalaze. Karakteriše ih neujednačen sastav, veliki sadržaj balasta, velika gustina i viskoznost, i znatno viši sadržaj štetnih materija nego u prosečnom fosilnom tečnom gorivu [14,8], pa je njihovo ekološki prihvatljivo uklanjanje imperativ. Kao optimalna tehnologija za razgradnju TTGa do neškodljivih oblika uz maksimalno moguće iskorišćenje energetskog potencijala, nameće se tehnologija termičke dezintegracije u fluidizovanom sloju (FS) koji omogućava sagorevanje materija različitog porekla i neujednačenog sastava, uz smanjenje emisije polutanata i veliku termičku inertnost postrojenja [5,7]. Ispitivanja sagorevanja TTGa vršena su na poluindustrijskoj eksperimentalnoj instalaciji sa FS za dva tipa TTGa: naftni mulj iz rezervoara sirove nafte Rafinerije nafte u Pančevu i upotrebljena mast/ulja iz livnica. Dat je opis aparature i eksperimentalnog postupka, kao i prikaz eksperimentalnih rezultata Zbog teškoća pri doziranju, skopčanih sa velikim sadržajem nečistoća u gorivu, s jedne, i dimenzijama dozirlinije i karakteristikama pumpi, s druge strane, poseban akcenat je dat unapredjenju ovog dele aparature. 2. KARAKTERIZACIJA GORIVA Rezultati tehničke analize goriva i analize pepela goriva : istrošenih ulja i masti iz hladne valjaonicegorivo I, naftni mulj iz rezervoara sirove nafte Rafinerije nafte u Pančevu gorivo II, predstavljeni su tabelarno (tab.1. i tab.2, respektivno). Tabela 1. Tehnička analiza i toplotna moć goriva Sa vlagom u uzorku Bez vlage Bez vlage i pepela I II I II I II Vlaga Pepeo Sumpor ukupni Koks Cfix Isparljivo Sagorljivo ,00 100,00 %

3 TOPLOTNA MOĆ GORIVA Gornja kj/kg Donja Tabela 2. Hemijska analiza pepela II < < I SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO CaO K2O Na2O TiO2 P2O5 MnO Mn B Zn Cu Hg Pb Se As Cr Ni C S Mo Ti V Na osnovu vrednosti iz tabele 1, može se zaključiti da gorivo II, sadrži mnogo više balasta od goriva I, pa stoga ima i znatno manju toplotnu vrednost, a iz tabele 2 da se pepeo predmetnog goriva I, s obzirom na visok sastav oksida gvožđa u njemu, može ponovo vraćati u proces proizvodnje čelika. Visok sadržaj ferioksida i nizak sadržaj kalijum oksida ukazuju na nepotrebnost korišćenja aditiva za ovu vrstu goriva. 3. OPIS APARATURE Za potrebe ispitivanja podobnosti sagorevanja TTGa razvijena je eksperimentalna aparatura za sagorevanje u fluidizovanom sloju (FS), koja se sastoji od 3 celine: sistema za doziranje tečnog goriva sistema za sagorevanje u fluidizovanom sloju i sistema za analizu gasa i akviziciju temperatura. Sistem za doziranje čine dva rezervoara TTGa (kapaciteta po 15l), uronjena u vodi, grejanoj električnim grejačem (sl. 1). U njima se meša gorivo električnim mešalicama. Peristaltička dozir pumpa (sa kontinualnim, elektronskim regulisanjem broja obrtaja, frekventnim regulatorom) potiskuje zagrejano gorivo iz rezervoara ka mlaznici i aparaturi za sagorevanje. Gorivo, zagrejano na o C, se u FS kroz mlaznicu uvodi sa strane, koso, duboko u sloj. Mlaznica za gorivo se sastoji od dve koaksijalne cevi [9]. TTG se uvodi kroz unutrašnju cev, kroz koju se istovremeno uvodi i centralni vazduh (temperature oko 80 C), koji potpomaže transport goriva kroz mlaznicu, kao i njegovo raspršivanje uz istovremeno hlađenje mlaznice.vod za noseći/centralni vazduh se sastoji od duvaljke za vazduh i grejača snage 0,5 kw (sl. 1). Dodatno hlađenje mlaznice postiže se anularnim uvođenjem vazduha iz okoline, kroz drugu koaksijalnu cev [10]. Zbog otežanog doziranja goriva IImulja iz rezervoara sirove nafte, sistem za doziranje je pretrpeo izvesne adaptacije. Naime, ovo gorivo u odnosu na istrošena ulja i 1 Donja toplotna moć je sračunata na osnovu elementarnog sastava mazuta, koji se uzima kao gorivo najsličnije predmetnom gorivu.

4 masti iz hladne valjaonice sadrži mnogo više mehaničkih nečistoća i lakše se stinjava untar creva za doziranje goriva (veći sadržaj smola i veća viskoznost) [11]. Slika 1 Šema sistema za doziranje tečnog goriva Stoga je isto najpre izfiltrirano od najgrubljih mehaničkih nečistoća, kroz sito od 4mm, i mešano je sa vodom, radi lakšeg transporta, a da bi se izbeglo stinjavanje unutar dozirnog creva i zapušavanje istog, dozirno crevo je grejano grejnim kablovima neposredno pre i u toku eksperimenta. Osim toga mlaznica je u ovom eksperimentu hlađena vodom kroz spoljnu koaksijalnu cev mlaznice, a ne vazduhom kao u eksperimentu sa gorivom I. U glavi pimpe je, pored toga, korišćeno i crevo većeg precnika, od materijala sa boljim athezionim karakteristikama. Gorivo se u eksperimentalno postrojenje uvodi sistemom za doziranje goriva (7) kroz cevmlaznicu (17) u fluidizovani sloj (slika 2). Vazduh se u FS dovodi kroz distributor (4). Dimni gasovi sa česticama dogorevaju u prostoru ložišta iznad sloja. Materijal sloja čini kvarcni pesak srednjeg prečnika 0,8 mm: nasipne gustine kg kg 1585 m 3,visina sloja je 370 mm (gorivoi), nasipne gustine 1475 m 3,visina sloja je 330 mm (gorivoii). Najgrublje čestice pepela koje se nisu zadržale u sloju se iz struje dimnih gasova izdvajaju neposredno nakon izlaza iz ložišta (10.1). Dimni gasovi zatim prolaze kroz vazdušni hladnjak (8), ispod kog se takođe izdvajaju čestice u posudi (10.2). Najfinije čestice se uklanjaju iz struje dimnih gasova u ciklonu (9). Dimni gasovi iz kojih su uklonjene čestice se transportuju ventilatorom u atmosferu. Praćenje i zapisivanje izmerenog sastava gasa i temperature se vrši pomoću posebnog softvera razvijenog u Laboratoriji za termotehniku i energetiku Instituta za nuklearne nauke «Vinča».

5 Slika 2 Šema laboratorijskog eksperimentalnog FS ložišta sa doziranjem u sloj Legenda: 1. Duvaljka za primarni vazduh 2. ( ) Merne blende 3. Električni grejač 4. Vazdušna komora sa distributorom vazduha 5. Ložište sa fluidizovanim slojem (I promaja) 6. Mehanički taložnik čestica (II promaja) 7. Sistem za doziranje goriva (7.1 dozir pumpa, 7.2 duvaljka za noseći vazduh, 7.3 grejač za noseći vazduh) 8. Hladnjak dimnih gasova 9. Ciklonski otprašivač 10. ( ) Sudovi za taloženje čestica 11. Ventilator dimnih gasova sa frekventnim regulatorom 12. (12.a) Boca sa propanbutanom 13. Gorionik za potpalu 14. Slavina za ispuštanje materijala iz ložišta 15. Posuda za prikupljanje materijala iz ložišta 16. Duvaljka za vazduh za hlađenje mlaznice 17. Mlaznica 4. REZULTATI ISPITIVANJA PODOBNOSTI SAGOREVANJA PREDMETNOG GORIVA U FS U radu su dati rezultati eksperimenta izvedenih sa dva tipa goriva: istrošenih ulja i masti iz hladne valjaonicegorivo I, naftni mulj iz rezervoara sirove nafte Rafinerije nafte u Pančevu gorivo II

6 4.1. Rezultati ispitivanja sagorevanja goriva I [10] Predmetno gorivo: istrošeno ulje iz hladne valjaonice pomešano sa vodom u odnosu 50%: 50%; protok goriva: 6.57 l/h; mešavina ulje/voda je homogenizovana mešanjem električnom mešalicom i zagrejana do 70 o C; izmereni koeficijent viška vazduha 23. Reprezentativni rezultati ispitivanja predstavljeni su dijagramima na slikama 35. Slika 3 Izmerene temperature u ložištu sa fluidizovanim slojem za gorivo I Slika 4 Izmerene vrednosti koncentracija gasova CO, SO 2 i NO x za gorivoi Slika 5 Izmerene koncentracije O 2 i CO 2 za gorivoi

7 režim Parametri sagorevanja predmetnog goriva I, tj. istrošenih ulja i masti, dati su tabelarno, gde je λ koeficijent viška vazduha, L 0 teorijska količina vazduha potrebna za potpuno sagorevanje jedinične mase goriva, t s teorijska temperatura sagorevanja, a kao toplotna moć data je donja toplotna moć goriva. Tabela 3. Parametri sagorevanja istrošenog ulja u eksperimentima u.ložištu sa FS λ L o t s Zapreminski sastav suvih produkata sagorevanja CO 2 O 2 Maseni protok goriva Maseni protok vazduha Maseni protok produkata sagorevanja Gustina produkata sagorevanja Toplotna moć goriva m 3 /kg o C % kg/h kg/m 3 kj/kg I Višak vazduha u tabeli 3, predstavlja srednju vrednost λ, koja je visoka jer uzima u obzir i ekstremne vrednosti λ prilikom isključenja pumpe (zbog preventivnog čišćenja mlaznice/regulacije protoka predmetnog goriva) kada se dovod goriva obustavlja što dovodi do naglog rasta λ za kratko vreme. Ponovnim puštanjem pumpe i dovodom goriva sagorevanje se nastavlja sa mnogo nižim λ koji odgovara realnoj vrednosti. Ostvarena je niska emisija štetnih gasova u produktima sagorevanja sa usrednjenim vrednostima (u odnosu na referentnu vrednost kiseonika od 3, 7 i 11%) datim u tabeli 4. Tabela 4. Srednji sadržaj štetnih gasova u produktima sagorevanja istrošenog ulja u ložištu sa FS mg mg Izmerene vrednosti [ 3 ] Referentne vrednosti 3 [ 3 ] Režim m m CO NO NO( svedeno na NO 2 ) CO NO( svedeno na NO 2 ) Referentne vrednosti O 2 [%] <240 < I 0 <187 < <133 < Sadržaj CO je u svim slučajevima znatno niži od standardom dozvoljenih referentnih vrednosti, a takođe i za NO, izuzev kada se merene vrednosti svode na 3%O 2 (tabela 4). Srednje vrednosti koncentracija NO odgovaraju srednjim vrednostima viška vazduha λ, pa u realnim uslovima za manje λ, i koncentracija NO će biti manja Rezultati sagorevanja goriva II [11] Predmetno gorivo II: mulj iz rezervoara sirove nafte je pomešan sa vodom u odnosu 40%: 60%; protok goriva: 1017l/h; mešavina mulj/voda je homogenizovana mešanjem električnom mešalicom i zagrejana do 85 o C. Izmereni koeficijent viška vazduha Referentna vrednost O 2 za ložišta sa sagorevanjem: 1. u fluidizovanom sloju 7%, 2. biomase 11% i 3. tečnih i gasovitih goriva 3%. 3 Pravilnik o graničnim vrednostima emisije, načinu i rokovima merenja i evidentiranja podataka, Republika Srbija Ministarstvo zaštite životne sredine

8 Reprezentativni rezultati ispitivanja predstavljeni su dijagramima na slikama 68. Kod sagorevanja goriva II dobijeno je stabilno sagorevanje, uz srednju temperaturu u sloju koja je dostigla preko 900 O C. Postignuta je veoma povoljna emisija gasovaprodukata sagorevanja, sa veoma niskim sadržajem CO. Temperatura na gornjoj ivici sloja bila je bliska temperaturi neposredno iznad njega, što ukazuje na to da je mešanje u sloju bilo optimalno dovodeći do intenzivnog sagorevanja u samom sloju. Vizuelno posmatranje plamena potvrdilo je postojanje intenzivnog mešanja u sloju, kao i dobre ispunjenosti plamena po zapremini ložišta, što ukazuje da je ostvarena optimalna kinetika procesa termičke razgradnje ispitivanog TTGa. U izabranom uzorku goriva II bilo je 45,77 mas% vode i 23,37 mas% pepela, ali zbog poteškoća sa doziranjem svi uzorci su mešani sa dodatnom količinom vode (slučaj I, tabela 5). Kod obrađenog uzorka je dodato 60% vode na ukupnu masu goriva, tako da su efektivni maseni udeli vlage i pepela u gorivu koje je dozirano u ložište, bili: 78,31% i 9,35%, respektivno. Ovakvo gorivo je vrlo teško sagorevati, čak i u FS, bez podrške dodatnog visokokaloročnog goriva, kao što se može videti iz proračunatih podataka, prikazanih u tabeli 5, pod I. Zbog toga je u ložište dodat tok od 2,608 kg/h smeše propana i butana kao podrška sagorevanju 13.7 kg/h datog goriva sa visokim sadržajem vode (slučaj II, tabela 5). Ova smeša teškog tečnog goriva i gasa je stabilno sagorevala, a u stacionarnim uslovima su zabeležene usrednjene vrednosti prikazane pod II u tabeli 5. Kao što se iz date tabele vidi, smeša naftnog mulja i gasa, sa efektivnim sadržajem vode od 67,51 mas% vode i 8,06 mas% pepela stabilno sagoreva na temperaturama iznad 900 C, uz veoma nisku koncentraciju CO u produktima sagorevanja. Slika 6 Izmerene temperature u ložištu sa fluidizovanim slojem za gorivo II

9 Slika 7 Izmerene koncentracije O 2 i CO 2 za gorivoi Slika 8 Izmerene vrednosti koncentracija gasova CO, SO 2 za gorivoii Originalan uzorak taloga iz naftnih rezervoara (sa 45,77 mas% vode i 23,37 mas% pepela), kao što je već napomenuto, je zbog poteškoća sa doziranjem mešan sa dodatnom količinom vode, ali da je doziranje u ložište bez dodatne količine vode uspelo, tada bi ovo teško gorivo takođe stabilno sagorevalo, kao što to pokazuju računski podaci, dati u tabeli 5, pod III. slučaj Tabela 5. Parametri proračuna i eksperimenata sa sagorevanjem mulja iz rezervoara sirove nafte u pilotložištu sa FS λ t s Zapreminski sastav suvih produkata sagorevanja CO 2 O 2 SO 2 CO N 2 O Maseni protok goriva Maseni protok vazduha Maseni protok produkata sagorevanja Toplotna moć goriva o C % kg/h kj/kg kw Snaga ložišta I proračun II merenje < mulj gas III proračun

10 ZAKLJUČAK Na osnovu izvedenih eksperimenata sagorevanja dve vrste teškog tečnog goriva (mulj iz rezervoara sirove nafte Rafinerije nafte u Pančevu i upotrebljena mast iz livnica), u dugotrajnim stacionarnim režimima može se zaključiti sledeće: Potpuno i stabilno sagorevanje TTGa u dugotrajnim stacionarnim režimima je ostvareno primenom predloženog ložišta sa FS. Ostvareno je stabilno, kontinualno doziranje TTG, čak i pri uslovima malih protoka, primenom razvijene linije, koja se sastoji od: rezervoara za pripremu goriva, peristaltičke pumpe, grejanih vodova i hlađene mlaznice koja se uranja u FS. Ostvareno je efikasno sagorevanje mešavine predmetnog goriva i vode, čak su parametri sagorevanja povoljniji prilikom korišćenja mešavine predmetnog goriva i vode sa stanovišta emisije CO (tabela 5.). Zona intenzivnog sagorevanja je locirana unutar fluidizovanog sloja uz intenzivan prenos toplote i mase. Ostvarena je niska emisija štetnih gasova u produktima sagorevanja, za CO daleko manja od dozvoljene, a za NO manja ili blizu graničnih vrednosti (tabela 3). Dalje smanjenje sadržaja NO u dimnim gasovima je moguće: smanjenjem viška vazduha (recirkulacijom dimnih gasova) smanjenjem maksimalne temperature dimnih gasova. Korišćenjem ove tehnologije sagorevanja moguće je odlaganje pepela na ekološko prihvatljiv način i to vraćanjem pepela u proces proizvodnje ili njegovom solidifikacijom. Predloženo rešenje je višestruko korisno jer ne samo da rešava problem odlaganja naftnog mulja i istrošenih ulja i masti na ekološko prihvatljiv način, već istovremeno omogućava iskorišćenje istih u energetske svrhe kao gorivo sa izraženim energetskim potencijalom. ZAHVALNOST Rad je nastao kao rezultat istraživanja na projektu Energetski efikasno spaljivanje taloga iz rezervoara sirove nafte na ekološko prihvatljiv način, NPEE , Ministarstva nauke Republike Srbije. REFERENCE [1] J. Werther, T. Ogada: Sewage sludge combustion, Progress in Energy and Cumbustion Science 25 (1999.), [2] S. Oka, B. Grubor: Stanje razvoja kotlova sa sagorevanjem u cirkulacionom fluidizovanom sloju, Interni izveštaj IBKITE645, BeogradVinča, nov [3] F. Miccio, F.M. Okasha: Fluidized bed combustion and desulfurization of a heavu liquid fuel, Chemical Engineering Journal 105 (2005.), 8189.

11 [4] M. Ilić: Contratto di consulenza professionale stipulato con il Dipartimento di Ingegneria Chimica ed Alimentare dell'universita degli Studi di Salerno, 14.sep.2001.,Italija [5] F.M. Okasha, S.H. ElEmam, H.K. Mostafa: Fluidized bed combustion of a heavu liquid fuel,eksperimental Thermal and Fluid Science 27 (2003.) [6] R. Yan, D.Tee Liang, L. Tsen: Case studiesproblem solving in fluidized bed waste fuel incineration, Energu Conversion and Management 46 (2005) [7] M. Mladenović, S. Nemoda, S. Belošević, D. Dakić, R. Mladenović, A. Erić, M. Paprika, B. Repić: Pregled dosadašnjih istraživanja i ostvarenih tehničkih rešenja za sagorevanje teškog naftnog goriva u fluidizovanom sloju, NIVITE 311, Institut VINČA, 2006, Beograd [8] M. Mladenović, S. Nemoda, S. Belošević, D. Dakić, R. Mladenović, A. Erić, M. Paprika, B. Repić: Karakterizacija uzoraka teškog naftnog goriva (TNG), NIVITE 312, Institut VINČA, 2006, Beograd [9] M. Mladenović, S. Nemoda, S. Belošević, D. Dakić, R. Mladenović, A. Erić, M. Paprika, B. Repić: Konstrukcija mlaznice za ubrizgavanje teškog naftnog goriva (TNG) u fluidizovan sloj, koncepcija postrojenja za sagorevanje TNGa i rekonstrukcija postojeće eksperimentalne instalacije sa FS,, Institut VINČA, 2006, Beograd [10] M. Mladenović, S. Nemoda, S. Belošević, D. Dakić, R. Mladenović, A. Erić, M. Paprika, B. Repić: Ispitivanje sagorevanja istrošenih ulja i masti u fluidizovanom sloju pri dugotrajnom stacionarnom režimu na poluindustrijskoj aparaturi, Institut VINČA, 2007, Beograd [11] M. Mladenović, S. Nemoda, S. Belošević, D. Dakić, R. Mladenović, A. Erić, B. Repić: Rezultati ispitivanja sagorevanja teškog tečnog goriva na poluindustrijskoj eksperimentalnoj instalaciji sa fluidizovanim slojem u dugotrajnim stacionarnim režimima rada, NIVITE 383, Institut VINČA, 2008, Beograd