1 od 8 REZULTATI ISPITIVANJA SAGOREVANJA TEČNOG GORIVA NA POLUINDUSTRIJSKOJ EKSPERIMENTALNOJ INSTALACIJI SA FLUIDIZOVANIM SLOJEM U DUGOTRAJNIM STACIONARNIM REŽIMIMA RESULTS OF INVESTIGATING LIQUID FUEL COMBUSTION IN A SEMI-INDUSTRIAL EXPERIMENTAL FLUIDIZED BED FACILITY IN LONG-TERM STEADY OPERATING CONDITIONS Mr M. Mladenović *, dr S. Nemoda, dr S. Belošević, dr D. Dakić, mr R. Mladenović, mr A. Erić, mr M. Paprika, dr B. Repić Institut VINČA, Laboratorija za termotehniku i energetiku, p.p. 22, 111 Beograd Crude fuel oil, as all fossil fuels, contains a certain percentage of impurities (water, mineral matter), as well as very heavy fuel oil fractions (resins), which are usually deposited at the bottom of the fuel oil tank and can present a problem in further fuel oil processing. The sediment (heavy liquid fuel, TTG) is an inseparable part of crude fuel oil and an unavoidable factor in the utilization of liquid fuels as a whole, but can be considered as a type of fuel itself, since its heating value is higher than those of most domestic coals. The experiments of fluidized bed combustion of liquid fuel, described in this paper, were carried out with two fuel types: the original TTG (with quasi-continuous feeding) and with a model fuel (continuous feeding), in order to develop a technology for the incineration of the sediment from crude fuel oil tanks in an environmentally friendly way, with maximum possible utilization of the energy potential of TTG. The analysis of the results obtained shows that during thermal disintegration of the TTG and the model fuel, very favorable flue gas emissions were attained, with very low contents of carbon-monoxide. The temperature at the fluidized bed freeboard was very close to the temperature just above it, which points out that the mixing inside the bed was optimal, hence leading to the displacement of the zone of intense combustion towards fluidized bed centre. Key words: liquid fuel, fluidized bed, crude fuel oil 1. UVOD Talog u rezervoarima sirove nafte (u nastavku rada, teško tečno gorivo TTG), je neodvojiv deo sirove nafte i neminovnost u celokupnom procesu primene tečnih goriva, ali predstavlja i jedan od vidova goriva jer je njegova toplotma moć viša od toplotne moći većine domaćih ugljeva [1-3]. U toku eksperimenta ispitivanja sagorevanja TTG-a javili su se problemi u procesu doziranja zbog njegovog izuzetno nehomogenog sastava (veliki sadržaj mehaničkih nečistoća) i ograničenosti raspoloživih pumpi (klipna i zupčaste malog kapaciteta). Iz tih razloga TTG je, u toku probnih eksperimenata, kvazikontinualo dozirano na sloj, a glavni eksperimenti su obavljeni sa model gorivom- uljem, koje je bez mehaničkih i drugih nečistoća i manje viskoznosti od realnog tečnog goriva. Realni uslovi su simulirani dodavanjem vode u model gorivo. Praćena su tri stacionarna režima sagorevanja model goriva, za različite dubine mlaznice u fluidizovanom sloju [4] i za različit sastav model goriva, dodavanjem vode u ulje.
2 od 8 2. OPIS EKSPERIMENTALNE APARATURE Eksperimentalna aparatura za sagorevanje tečnog goriva u FS se sastoji od 3 celine: - Sistema za doziranje goriva, - Sistema za sagorevanje u fluidizovanom sloju i - Sistema za analizu gasa i akviziciju temperatura. 2.1. Sistem za doziranje tečnog goriva Sistem za doziranje čine dva rezervoara TTG-a (kapaciteta po 2l), zaronjena u vodu, grejanoj električnim grejačem (sl. 1). U njima se meša gorivo mešalicama na električni pogon. Klipna dozir pumpa potiskuje zagrejano i hompgenizovano gorivo iz rezervoara, pa preko razdelnika, jednim vodom ka mlaznici i aparaturi za sagorevanje, a drugim, povratnim, nazad u rezervoare. Slika 1 Šema za doziranje tečnog goriva Slika 2 Mlaznica: 1. Ulaz zagrejanog nosećeg vazduha u ejektor, 2. Ulaz zagrejanog tečnog goriva u ejektor, 3. Ejektor, 4. Ulaz anularnog vazduha za hlađenje mlaznice,. Izlaz anularnog vazduha za hlađenje mlaznice, 6. Mlaznica, 7. Mesingani zaptivač, 8. Ulaz mlaznice u ložište sa fluidizovanim slojem. Gorivo se u FS kroz mlaznicu uvodi sa strane, pod kosim uglom duboko u sloj. Neposredno pre mlaznice gorivo ulazi u ejektor (omogućava bolje raspršivanje goriva i mešanje sa vazduhom), kroz koji struji zagrejani vazduh (sl. 2). Vod za noseći, zagrejan vazduh se sastoji od duvaljke za vazduh i grejača snage, kw (sl. 1).Mlaznica za gorivo se sastoji od 2 koaksijalne cevi: mešavina goriva i vazduha se transportuje kroz centralnu, a mlaznica se hladi nezagrejanim anularnim vazduhom, koji prolazi kroz spoljnu koaksijalnu cev i izlazi u spoljnu sredinu (sl. 2). Cevi mlaznice, s obzirom na temperaturu u sloju od 8 C, su od nerđajućeg čelika. 2.2.Sistem za sagorevanje u fluidizovanom sloju
CO------------------------------% CO2--------------------------1% SO2----------------------------% O2------------------------------2% 3 od 8 Slika 3 Šema laboratorijskog eksperimentalnog fluidizovanog ložišta sa doziranjem u sloj Legenda: 1. Duvaljka za primarni vazduh 2. (2.1-2.2) Merne blende 3. Električni grejač 4. Vazdušna komora sa distributorom vazduha. Ložište sa fluidizovanim slojem (I promaja) 6. Mehanički taložnik čestica (II promaja) 7. Sistem za doziranje goriva 8. Hladnjak dimnih gasova 9. Ciklonski otprašivač 1. (1.1 1.3) Sudovi za odlaganje čestica 11. Ventilator dimnih gasova sa frekfentnim regulatorom 12. (12.a) Boca sa propan-butanom 13. Gorionik za potpalu 14. Slavina za ispuštanje materijala iz ložišta 1. Posuda za prikupljanje materijala iz ložišta 16. Duvaljka za vazduh za hlađenje mlaznice 17. Ejektor 18. Mlaznica 2.3.Sistem za analizu gasa i akviziciju temperatura Furnace ~8 C 1 2 3 8 22 V Hz 7 6 4 Thermocouples Legenda: 1. sonda za uzimanje uzoraka, 2. grubi filter, 3. grejano crevo-sprečava kondenzaciju vodene pare, 4. kondicioner,. priključak za odvod kondenzata iz sistema, 6. analizator gasa IMR 3 P, 7. termoparovi i sistem za akviziciju HP382, 8. softver za obradu podataka Slika 4 Šema sistema za analizu gasa i akviziciju temperatura
4 od 8 3. OPIS ISPITIVANJA Eksperimenti sagorevanja tečnog goriva u FS su izvedeni sa dve vrste goriva []: 1. sa model gorivom (kontinualno doziranje), 2. originalnim TTG-om (kvazikontinualno doziranje). 3.1. Kontinualno doziranje model goriva Eksperimenti na instalaciji u dugotrajnom radu, izvedeni su sa različitim režimima rada, sa aspekta položaja mlaznice u sloju i sastava goriva: a) Sagorevanje goriva pri manjoj dubini uranjanja mlaznice u fluidizovani sloj. b) Sagorevanje goriva pri većoj dubini uranjanja mlaznice u fluidizovani sloj, c) Sagorevanje smeše model goriva i vode. Režim Protok model goriva [l/h] Temperatura u sloju [ C] Sastav gasova O 2 CO SO 2 NO NO T 2 1 T 2 T 3 T 4 C % ppm Višak vazduha λ Protok vazduha za FS [l/h] Protok nosećeg vazduha [l/h] a 4,2 613,7 844,7 843,2 861,2 6,3 12,86 198,8,3 12,2 2,6 1168 241 b 3,4 842,7 877, 876,6 887,3 4,29 1,94 9,86,4 1, 3,4 12286 23 c 3,6 81,9 773, 773,7 78 1,72 18,96 4,83,127 3,34,2 4, 11878 2 Tabela 1 Srednje vrednosti merenih veličina u sva tri režima, gde su temperature T 1 - neposredno iznad pečurki distributora vazduha, T 2 -u sloju na 11cm od mernog mesta 1, T 3 - u sloju na 12cm od mernog mesta 2 i T 4 - neposredno iznad sloja na 19cm od mernog mesta Prilikom merenja, vršeno je kontinualno praćenje temperatura u sloju (tri merne tačke po visini sloja) i iznad njega po visini ložišta, kao i paralelna kontinualna gasna analiza. 2 CO2 O2 COppm SO2ppm NOppm NO2ppm Koncentracija [%] 1 1 2 Koncentracija [ppm] 1. 17. 2. 22. 2. Vreme [min] 1 2 2 Vreme [min] Slika Režim a koncentracije CO 2 i O 2 Slika 6 Režim a koncentracije CO, SO 2, NO i NO 2
od 8 9 temperature u lozistu [ C] 8 8 7 7 6 6 T1 T2 T3 T4 T T6 T7 4 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 Slika 7 Režim a-temperature u ložištu:t 1, T 2 i T 3 u sloju, i T 4, T,T 6 i T 7 iznad sloja po visini ložišta Slika 8 Temperaturna merna mesta 2 CO2 O2 2 Koncentracija [%] 1 1 Koncentracija [ppm] 1 1 COppm SO2ppm NOppm NO2ppm 2 3 4 6 7 8 9 6 Vreme [min] 2 4 6 8 6 Vreme [min] Slika 9 Režim b koncentracije CO 2 i O 2 Slika 1 Režim b koncentracije CO, SO 2, NO i NO 2 U oba režima (a i b) dobijenao je stabilno sagorevanje, uz srednju temperaturu u sloju 78-9 o С, која bi se ustalila vrlo brzo nakon otpočinjanja procesa. Postignuta je veoma povoljna emisija gasova-produkata sagorevanja, sa veoma niskim sadržajem ugljen-monoksida. Kako se sa dijagrama (sl. 11) vidi temperature u sredini i pri vrhu sloja su skoro iste, što ukazuje na dobru organizaciju sagorevanja u sloju. Temperatura neposredno iznad sloja T 4 ne odskače mnogo od temperatura T 2 i T 3 u sloju što ukazuje na lociranje zone intezivnog sagorevanja u sloj, čime se postiže stabilan proces. Utvrđeno je da dublje uranjanje mlaznice u FS daje stabilnije odvijanje procesa, povlačenje zone intezivnog sagorevanja dublje u sloj i smanjenje dogorevanja iznad sloja (sl. 11). Stoga je ovaj položaj mlaznice usvojen za ispitivanje u režimu sagorevanja emulzije goriva i vode.
6 od 8 9 mlaznica na 13 cm od dna sloja mlaznica na 9 cm od dna sloja temperatura [C] 8 7 temperatura na dnu sloja T 1 temperatura u sredini sloja T 2 temperatura na vrhu sloja T 3 temperatura iznad sloja T 4 6 1 2 3 4 6 Slika 11 Rasporedi temperatura u sloju pri različitim dubinama uranjanja mlaznice u sloj 2 koncentracije [%] 2 1 1 CO2 O2 koncentracije [ppm], λ 1 1 COppm SO2ppm NOppm NO2ppm lambda 126 128 13 132 134 136 138 14 142 127. 128.2 129. Slika 12 Režim c koncentracije CO 2 i O 2 temperature u lozistu [ o C] 66 63 9 6 2 T1 T2 T3 T4 T T6 T7 128. 128.4 128.8 Slika 14 Režim c-temperature u ložištu:t 1, T 2 i T 3 u sloju, i T 4, T,T 6 i T 7 iznad sloja po visini ložišta Slika 13 Režim c koncentracije CO, SO 2, NO i NO 2 Emulzija, u odnosu 3,l tečnog goriva i 1l vode (pri istom protoku vazduha za fluidizaciju), dala je takođe stabilan režim, sa nešto nižim temperaturama. Dijagrami sa slika 12-14, pokazuju da je sagorevanje model goriva pomešanog sa vodom (simuliranje realnih uslova sagorevanja TTG-a) takođe stabilno. Temperature u i iznad sloja su stabilne, ali su niže od odgovarajućih temperatura za režime a i b pri sličnom višku vazduha. Slične srednje temperature se postižu i pri probnim eksperimentima sagorevanja realnog goriva, za slične paramtre sagorevanja (višak vazduha i sadržaj vode u gorivu).
7 od 8 3.2. Kvazikontinualno doziranje realnog goriva (TTG) temperature u lozistu [ o C] 8 6 4 26 28 3 32 34 36 T2 T3 T4 Slika 1 Kvazistacionarno doziranje originalnog TNG-a na sloj Rezultati probnog eksperimenta sa spaljivanjem TTG-a u FS pokazuju da je i sagorevanje realnog goriva stabilno, a rezultati su prikazani na sl. 1. Može se videti da stacionarni režim nije sasvim postignut ali se tendencija može uočiti. Temperatura iznad sloja je skokovita u skladu sa momentima doziranja goriva na sloj. Srednja temperatura iznad sloja je nešto niža od temperature sloja, jer je sloj prethodno bio zagrevan gasom, međutim jasno je da je veći deo reakcija lociran iznad sloja. Temperature iznad i u sloju se očigledno spajaju i srednja temperatura iznosi oko 67 o C. Ovako niska temperatura je posledica visokog sadržaja balasta - vode i mehaničkih primesa, za dati višak vazduha. 4. ZAKLJUČAK Izvršeni su probni eksperimenti sa sagorevanjem TTG-a u pilot fluidizovanom ložištu.u sva tri ispitivana režima sa model gorivom dobijeno je stabilno sagorevanje, uz srednju temperaturu u sloju 78-9 o C, koja bi se ustalila ubrzo nakon otpočinjanja procesa. Postignuta je veoma povoljna emisija gasova-produkata sagorevanja, sa veoma niskim sadržajem ugljen-monoksida, a često i nultim. 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 kroz otvor za posmatranje unutrašnjosti ložišta, potvrdilo je postojanje intenzivnog mešanja u sloju, kao i dobre ispunjenosti plamena po zapremini ložišta. Sve navedeno ukazuje da je ostvarena optimalna kinetika procesa termičke razgradnje ispitivanog tečnog goriva. Utvrđeno je da dublje uranjanje mlaznice u fluidizovani sloj daje stabilnije odvijanje procesa, povlačenje zone intenzivnog sagorevanja dublje u i smanjenje dogorevanja iznad sloja. Stoga je ovaj položaj mlaznice usvojen za ispitivanje u režimu sagorevanja emulzije goriva i vode koja je, takođe, dala stabilan režim, sa nešto nižim temperaturama. Rezultati dezintegracije TTG-a pokazuju da je i sagorevanje realnog goriva stabilno. Razvojem ove tehnologije mogu se rešavati i problemi efikasnog uklanjanja taloga iz brojnih tankova mazuta pa i rezervoara drugih tečnih goriva (rezervoari na benzinskim pumpama i sl.). Uzimajući u obzir zaštitu životne sredine razvoj ove tehnologije bi mogao imati i širi društveni značaj. ZAHVALNOST Rad je nastao kao rezultat istraživanja na projektu Energetski efikasno spaljivanje taloga iz rezervoara sirove nafte na ekološko prihvatljiv način, NPEE 2324, Ministarstva nauke Republike Srbije. REFERENCE
8 od 8 [1] 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, NIV-ITE 311, Institut VINČA, 26, Beograd [2] M. Mladenović, S. Nemoda, S. Belošević, D. Dakić, R. Mladenović, A. Erić, M. Paprika, B. Repić: Karakterizacija uzoraka teškog naftnog goriva (TNG), NIV-ITE 312, Institut VINČA, 26, Beograd [3] 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 tng-a i rekonstrukcija postojeće eksperimentalne instalacije sa FS, NIV-ITE 313, Institut VINČA, 26, Beograd [4] S. Nemoda, M. Mladenović, S. Belošević, D.Dakić: Numerička simulacija mlaznog doziranja u fluidizovani sloj, Procesing 7, 27, Beograd [] M. Mladenović, S. Nemoda, S. Belošević, D. Dakić, R. Mladenović, A. Erić, M. Paprika, B. Repić: Rezultati ispitivanja sagorevanja tečnog goriva na poluindustrijskoj eksperimentalnoj instalaciji sa fluidizovanim slojem u dugotrajnim stacionarnim režimima rada, NIV-ITE 48, Institut VINČA, 27, Beograd