RU2013690C1

RU2013690C1 - Method of jointly burning liquid and gaseous fuels

Info

Publication number: RU2013690C1
Authority: RU
Inventors: В.С. Пикашов; В.А. Великодный; В.М. Дмитриев; Н.И. Сульжик; В.В. Троценко; Р.А. Чеховский; К.П. Кузьменков; П.Н. Тимощенко
Original assignee: Пикашов Вячеслав Сергеевич; Великодный Владимир Александрович; Дмитриев Валерий Максимович; Сульжик Николай Иванович; Троценко Виталий Васильевич; Чеховский Роман Артемович; Кузьменков Константин Петрович; Тимощенко Павел Николаевич
Priority date: 1990-07-05
Filing date: 1990-07-05
Publication date: 1994-05-30

Abstract

FIELD: fuel combustion systems. SUBSTANCE: highly viscous liquid fuel (mazut) and fuel gas (gaseous products of oil refining) are admitted to lower part of saturator under a pressure of 0.3-0.6 MPa. Part of gases (mostly high-density hydrocarbons) is dissolved in the liquid fuel, whereas light fractions are retained in fuel mixture in the form of fine bubbles. When the thus obtained fuel mixture (emulsion) and air are injected to burner, gases are expanded due to a sudden pressure differential to vigorously break liquid fuel into fine droplets. The air-fuel mixture is ignited in high-temperature space of the furnace at a distance from the burner to fully burn downstream of the flow. EFFECT: enhanced efficiency of combustion. 1 tbl

Description

Изобретение относится к технологии совместного сжигания жидкого (преимущественно мазута) и газообразного топлива. Технологические процессы отопления тепловых агрегатов с использованием изобретения наиболее целесообразно применять на нефтеперерабатывающих заводах для утилизации отходов в виде высоковязких некондиционных мазутов и нефтезаводских газов в виде смесей летучих углеводородов переменного состава с давлением 0,3-0,4 МПа. The invention relates to a technology for co-burning liquid (mainly black oil) and gaseous fuels. Technological processes for heating thermal units using the invention are most suitable for use in oil refineries for waste disposal in the form of highly viscous substandard fuel oil and refinery gases in the form of mixtures of volatile hydrocarbons of variable composition with a pressure of 0.3-0.4 MPa.

Общеизвестно, что сжигание любых топлив считается тем более качественным, чем меньше химический недожог и чем выше температура продуктов сгорания. Общеизвестно и то, что на полноту сгорания при использовании высоковязких жидких топлив влияет прежде всего размер частиц и интенсивность перемешивания с подаваемым на горение воздухом. Чем меньше размер частиц мазута, тем интенсивнее горение, короче факел и меньше химический недожог, оцениваемый по присутствию в продуктах сгорания сажи и оксида углерода (СО). It is well known that the combustion of any fuel is considered to be of higher quality, the lower the chemical underburning and the higher the temperature of the combustion products. It is also well known that the completeness of combustion when using highly viscous liquid fuels is primarily affected by the particle size and the intensity of mixing with the air supplied to the combustion. The smaller the particle size of the fuel oil, the more intense the combustion, the shorter the torch and the less chemical underburning, estimated by the presence of soot and carbon monoxide (CO) in the products of combustion.

Поэтому в разработке технологий сжигания мазута и высоковязких мазутоподобных отходов нефтепереработки и средств осуществления таких технологий основной акцент делается на распыление жидкого горючего. Therefore, in the development of technologies for the combustion of fuel oil and highly viscous fuel oil-like waste oil refining and means for implementing such technologies, the main emphasis is on spraying liquid fuel.

Естественно, что число механическое распыление высоковязких топлив, основанное на центробежном завихрении потока с входным давлением 2-3 МПа (см. , например, Адамов В. А. Сжигание мазута в топках котлов. М. : Недра, с. 155), оказывается тем менее эффективным, чем выше вязкость топлива. Naturally, the number of mechanical atomization of high-viscosity fuels, based on a centrifugal swirl of the flow with an inlet pressure of 2-3 MPa (see, for example, V. Adamov, Burning fuel oil in boiler furnaces. M.: Nedra, p. 155), turns out to be less effective the higher the viscosity of the fuel.

Поэтому был предложен способ совместного сжигания мазута и углеводородных газов, в котором могут и газ подают в форсунку раздельно и на выходе форсунки распыляют мазут струей газа под давлением. Therefore, a method was proposed for co-burning fuel oil and hydrocarbon gases, in which gas can also be supplied to the nozzle separately, and fuel oil is sprayed at the nozzle exit under a pressure gas stream.

Однако в описанном способе дробление жидкого топлива обеспечивается число механическим путем за счет кинетической энергии газовой струи. Естественно, что при этом не удается добиться достаточно равномерного распыла, что приводит к снижению светимости и удлинению факела и, как следствие, к ухудшению теплоотдачи от него. However, in the described method, the crushing of liquid fuel is provided by a mechanical number due to the kinetic energy of the gas stream. Naturally, in this case it is not possible to achieve a sufficiently uniform spray, which leads to a decrease in luminosity and lengthening of the torch and, as a result, to a decrease in heat transfer from it.

Тем не менее, использование газообразного горючего для распыления жидкого стало существенным приемом в технологии сжигания отходов нефтепереработки. However, the use of gaseous fuels for spraying liquid has become a significant technique in the technology of burning waste oil.

Из числа способов, использующих этот прием, к заявленному наиболее близок способ совместного сжигания жидкого и газообразного топлива. Among the methods using this technique, the method of co-burning liquid and gaseous fuels is closest to the claimed one.

Способ-прототип предусматривает использование в качестве газообразного топлива газообразных отходов нефтепереработки, которые перед подачей в форсунки на распыл жидкого топлива предварительно подогревают до температуры, превышающей температуру конденсации водяного пара при давлении смешения на величину ≥ 5^оС, и смешивают с водяным паром, а затем полученной парогазовой смесью механически распыляют жидкое топливо.Method prototype involves the use as a fuel gas of gaseous refinery waste, which prior to being fed to the nozzle to spray liquid fuel is preheated to a temperature above the steam condensation temperature at the pressure of mixing an amount ≥ 5 ^{° C} and mixed with steam and then the resulting vapor-gas mixture mechanically atomizes liquid fuel.

Основной технический эффект, которого добиваются пользователи этого способа, заключается в том, что водяной пар выступает в роли средства компенсации нехватки газообразных продуктов нефтепереработки при колебаниях их подачи на сжигание. The main technical effect that users of this method achieve is that water vapor acts as a means of compensating for the shortage of gaseous refined products during fluctuations in their supply for combustion.

Балансировка же продуктов сгорания водяным паром ухудшает условия горения сажистых частиц, образующихся при пиролизе жидких высоковязких отходов нефтепереработки в прикорневой зоне факела, снижает температуру продуктов сгорания и тем самым не способствует достижению поставленной в способе-прототипе цели (улучшение качества сжигания) и снижает термический КПД теплоагрегатов. Balancing the combustion products with water vapor worsens the combustion conditions of the soot particles generated during the pyrolysis of liquid high-viscosity oil waste in the root zone of the plume, reduces the temperature of the combustion products and thereby does not contribute to the achievement of the goal set in the prototype method (improving the quality of combustion) and reduces the thermal efficiency of heat generating units .

Целью изобретения является снижение химического недожога при сжигании высоковязких жидких отходов нефтепереработки и улучшение условий теплоотдачи от факела и продуктов сгорания. The aim of the invention is to reduce chemical underburning during the burning of highly viscous liquid oil refinery wastes and to improve the conditions for heat transfer from the flare and combustion products.

В основу изобретения положена задача отыскания такого порядка приготовления газожидкостной топливной смеси, который позволит достигнуть цель. The basis of the invention is the task of finding such an order of preparation of a gas-liquid fuel mixture, which will achieve the goal.

Цель достигается тем, что в способе совместного сжигания жидкого и газообразного топлива, предусматривающем использование газообразных продуктов нефтепереработки для распыления жидкого топлива, объединение смеси топлив с окислителем и сжигание в факеле, газообразные отходы нефтепереработки сатурируют в высоковязких жидких отходах нефтепереработки и полученную эмульсию подают в корневую часть факела. The goal is achieved in that in a method for co-burning liquid and gaseous fuels, involving the use of gaseous oil products for spraying liquid fuel, combining a mixture of fuels with an oxidizing agent and burning in a flare, gaseous waste oil is saturated in high-viscosity liquid oil waste and the resulting emulsion is fed to the root part torch.

Прием сатурации газообразных отходов нефтепереработки в ее же жидких высоковязких отходах, нов, а потому заявленная совокупность признаков соответствует критерию "существенные отличия". Этот прием приводит к тому, что при сатурации газы, имеющие давление 0,3-0,4 МПа, частично образуют истинный раствор в жидких отходах, частично - газожидкостную эмульсию. Тем самым снижается вязкость топливной смеси и, во-первых, в чисто гидромеханическом аспекте облегчается ее подача на распыл, а во-вторых, интенсифицируется само распыление, ибо дробление жидкого горючего одновременно происходит "изнутри" вследствие испарения растворенных в нем газов и "снаружи" вследствие резкого расширения газовых пузырьков, имеющихся в эмульсии. Acceptance of saturation of gaseous refinery wastes in its own liquid highly viscous wastes is new, and therefore the claimed combination of characteristics meets the criterion of "significant differences". This technique leads to the fact that during saturation, gases having a pressure of 0.3-0.4 MPa partially form a true solution in liquid waste, partially a gas-liquid emulsion. This reduces the viscosity of the fuel mixture and, firstly, in a purely hydromechanical aspect, its flow to the spray is facilitated, and secondly, the spraying itself is intensified, because the crushing of liquid fuel simultaneously occurs "from the inside" due to the evaporation of the gases dissolved in it and "outside" due to the sharp expansion of gas bubbles present in the emulsion.

Дополнительное отличие авторы усматривают в том, что газообразные отходы нефтепереработки подают на сатурацию в количестве от 0,3 до 0,8 кг на один килограмм жидких отходов нефтепереработки. The authors see an additional difference in the fact that gaseous refinery waste is fed to saturation in an amount of 0.3 to 0.8 kg per kilogram of liquid refinery waste.

При таком соотношении достигается наивысшая светимость факела. With this ratio, the highest luminosity of the torch is achieved.

На фиг. 1 - схема устройства для реализации заявляемого способа; на фиг. 2 - схема экспериментальной установки для проверки эффективности заявляемого способа. In FIG. 1 is a diagram of a device for implementing the proposed method; in FIG. 2 is a diagram of an experimental setup for checking the effectiveness of the proposed method.

Устройство (фиг. 1) имеет форсунку 1 и сатуратор 2. Форсунка представляет собой топливную трубу 3, оканчивающуюся соплом 4. The device (Fig. 1) has a nozzle 1 and a saturator 2. The nozzle is a fuel pipe 3 ending in a nozzle 4.

Сатуратор 2 имеет цилиндрический, вертикально установленный корпус 5, который внутри заполнен насадкой 6, например из плотно набитой между решетками 7 металлической стружки, или мелких колец Рашига ( ⌀ 5-10 мм). При монтаже форсунки в топке концентрично или параллельно ей устанавливают трубу для подачи окислителя (воздуха), не показанную на данной фигуре. The saturator 2 has a cylindrical, vertically mounted housing 5, which inside is filled with a nozzle 6, for example of metal shavings densely packed between the gratings 7, or small Rashig rings (⌀ 5-10 mm). When installing the nozzle in the furnace concentrically or parallel to it, install a pipe for supplying an oxidizing agent (air), not shown in this figure.

Экспериментальная установка для проверки эффективности заявляемого способа (фиг. 2) представляет собой туннельную огнеупорную камеру (топку) 8 сечением 1,2х1,2 и длиной 7 м. С торца камеры установлена горелка 9, внутри которой расположена форсунка 1. К другому концу камеры 8 присоединен вертикальный дымовой канал, в который введена труба 10 для отбора проб продуктов сгорания на анализ. Для визуального наблюдения факела по длине камеры имеются гляделки 11, шаг между которыми - 300 мм. The experimental setup for checking the effectiveness of the proposed method (Fig. 2) is a tunnel refractory chamber (furnace) 8 with a cross section of 1.2x1.2 and a length of 7 m. A burner 9 is installed from the chamber end, inside of which there is a nozzle 1. To the other end of the chamber 8 a vertical smoke channel is connected, into which a pipe 10 is introduced for sampling combustion products for analysis. For visual observation of the torch along the length of the camera there are peepers 11, the pitch between which is 300 mm.

Способ реализуют следующим образом. В нижнюю часть сатуратора 2 (фиг. 1) подают высоковязкое жидкое топливо (типа мазута) и топливный газ (газообразные продукты нефтепереработки) под давлением 0,3-0,6 МПа. Если вязкость жидкого топлива затрудняет его подачу, то его перед сатуратором подогревают так, чтобы его вязкость составляла от 3 до 10^оВУ.The method is implemented as follows. High viscosity liquid fuel (fuel oil type) and fuel gas (gaseous oil products) are supplied to the lower part of saturator 2 (Fig. 1) under a pressure of 0.3-0.6 MPa. If the viscosity of liquid fuel makes it difficult to feed, then it is heated in front of the saturator so that its viscosity is from 3 to 10 ^about WU.

Далее жидкое топливо и газы многократно дробятся на интенсивно взаимодействующие завихренные струйки нижней решеткой, слоем насадки 6 и верхней решеткой 7. При этом часть газов (преимущественно углеводороды с большой плотностью) растворяется в жидком топливе, а легкие фракции входят в состав топливной смеси в виде мелких пузырьков. Further, liquid fuel and gases are repeatedly crushed into intensely interacting swirling streams with the lower grill, nozzle layer 6 and upper grill 7. At the same time, some gases (mainly hydrocarbons with a high density) dissolve in liquid fuel, and light fractions are included in the fuel mixture in the form of small bubbles.

При впрыске полученной топливной смеси (эмульсии) через форсунку в горелке 9 трубу в камеру 8 в корневую часть факела растворенные и эмульгированные в жидком топливе газы из-за резкого перепада давления расширяются и интенсивно дробят жидкое топливо на мельчайшие капли. When the resulting fuel mixture (emulsion) is injected through the nozzle in the burner 9 into the chamber 8 into the torch root 8, the gases dissolved and emulsified in liquid fuel expand due to a sharp pressure drop and intensively crush the liquid fuel into tiny droplets.

Топливовоздушная смесь воспламеняется в высокотемпературном пространстве печи на определенном расстоянии при выходе из горелки и далее сгорает по ходу потока. The air-fuel mixture ignites in the high-temperature space of the furnace at a certain distance upon exiting the burner and then burns downstream.

Для проверки эффективности заявляемого способа на установке, которая показана на фиг. 2, были проведены эксперименты по сжиганию мазута марки 100 по ГОСТ 10585-63 и газовой смеси, соответствующей составу газообразных отходов нефтепереработки (Н₂ - 55 ±5% ) и углеводороды С₁-С₄ с преобладанием метана, этана, этилена - остальное).To verify the effectiveness of the proposed method on the installation, which is shown in FIG. 2, experiments were conducted on the burning of brand 100 fuel oil in accordance with GOST 10585-63 and a gas mixture corresponding to the composition of gaseous oil refinery wastes (Н ₂ - 55 ± 5%) and С ₁ -С ₄ hydrocarbons with the predominance of methane, ethane, ethylene - the rest) .

Расход мазута во всех экспериментах поддерживали стабильным на уровне 60 кг/ч, а массовый расход горючих газов задавали на уровне 12, 18, 24, 30, 36, 42, 48 и 54 кг/ч, что соответствует удельным расходом 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8 и 0,9 кг газов на 1 кг мазута. Fuel oil consumption in all experiments was kept stable at 60 kg / h, and the mass flow rate of combustible gases was set at 12, 18, 24, 30, 36, 42, 48, and 54 kg / h, which corresponds to a specific consumption of 0.2; 0.3; 0.4; 0.5; 0.6; 0.7; 0.8 and 0.9 kg of gases per 1 kg of fuel oil.

Горючие смеси (топливные эмульсии) сжигали с использованием воздуха при коэффициенте избытка окислителя в пределах 1,05-1,2 от стехиометрического, выбирая тем большие его значения, чем меньше доля горючих газов в топливной смеси. Combustible mixtures (fuel emulsions) were burned using air at an oxidizer excess coefficient in the range of 1.05-1.2 of the stoichiometric one, choosing the higher its values, the smaller the proportion of combustible gases in the fuel mixture.

Химический недожог в экспериментах оценивали по концентрации оксида углерода (СО) в отходящих газах, которую определяли с помощью газового хроматографа типа "Газохром-3101". The chemical underburning in the experiments was evaluated by the concentration of carbon monoxide (CO) in the exhaust gases, which was determined using a gas chromatograph type "Gasochrom-3101".

Качество теплоотдачи от факела оценивали визуально по его светимости, наличии копоти и длине (при этом длину определяли с точностью до 0,1 м, наблюдая факел через гляделки в боковой стенке камеры 8). The quality of heat transfer from the torch was evaluated visually by its luminosity, the presence of soot and length (the length was determined with an accuracy of 0.1 m, observing the torch through peepers in the side wall of chamber 8).

Для сравнения в камере 8 сжигали мазут той же марки, распыляя его после выхода из форсунки парогазовой смесью, как это предусмотрено в способе-прототипе. Расход мазута поддерживали на том же уровне, что и для заявляемого способа, т. е. 60 кг/ч, а суммарный расход парогазовой смеси - на уровне 48 кг/ч. Всего было проведено три эксперимента, различающихся по количеству перегретого водяного пара (соответственно 10, 20 и 30% от 48 кг/ч, или 4,8; 9,6 и 14,4 кг пара в час). Парогазовую смесь приготовляли в отдельном смесителе, не показанном на чертежах, и подавали к мазутной форсунке по концентричной трубе, а воздух - по второй (внешней) концентричной трубе. For comparison, fuel oil of the same brand was burned in chamber 8, spraying it after exiting the nozzle with a gas-vapor mixture, as provided for in the prototype method. Fuel oil consumption was maintained at the same level as for the proposed method, i.e., 60 kg / h, and the total consumption of the gas-vapor mixture at 48 kg / h. A total of three experiments were carried out, differing in the amount of superheated water vapor (respectively 10, 20 and 30% of 48 kg / h, or 4.8; 9.6 and 14.4 kg of steam per hour). The gas-vapor mixture was prepared in a separate mixer, not shown in the drawings, and supplied to the fuel oil nozzle through a concentric pipe, and air through a second (external) concentric pipe.

Результаты экспериментов сведены в таблицу. При этом NN 1-8 соответствуют заявленному способу, а NN 9-11 - способу-прототипу. The experimental results are summarized in table. In this case, NN 1-8 correspond to the claimed method, and NN 9-11 to the prototype method.

Как ясно из подробного описания, включая количественные показатели, технико-экономические преимущества заявляемого способа в сравнении со способом-прототипом заключаются в следующем. As is clear from the detailed description, including quantitative indicators, the technical and economic advantages of the proposed method in comparison with the prototype method are as follows.

В техническом отношении сатурация газообразных отходов нефтепереработки в ее же высоковязких жидких отходах создает физико-химические предпосылки для интенсификации распыления жидкой фазы в потоке окислителя, а именно частичное растворение "тяжелых" фракций газов (углеводородов С₃-С₄) в жидкости снижает ее вязкость и при интенсивном нагреве тонких струй такого раствора в прикорневой части факела обеспечивает "взрывное" распыление при множественности центров вскипания. Эмульгированные же в жидкости и выходящие вместе с нею в топочное пространство пузырьки нерастворившихся газов (водорода и углеводородов) существенно усиливают "взрывной" эффект.In technical terms, the saturation of gaseous waste oil in its own highly viscous liquid waste creates physico-chemical prerequisites for the intensification of atomization of the liquid phase in the oxidizer stream, namely the partial dissolution of the “heavy” gas fractions (C ₃ -C ₄ hydrocarbons) in the liquid reduces its viscosity and with intense heating of thin jets of such a solution in the basal part of the torch provides "explosive" spraying with a plurality of boiling centers. Bubbles of insoluble gases (hydrogen and hydrocarbons) emulsified in a liquid and leaving with it into the furnace space significantly increase the "explosive" effect.

Следствием указанных технических преимуществ является снижение химического недожога, что позволяет улучшить экологическую обстановку на территории нефтепереработывающих заводов и в прилегающей местности. The result of these technical advantages is the reduction of chemical underburning, which allows to improve the environmental situation in the territory of oil refineries and in the surrounding area.

Claims

METHOD FOR JOINT COMBUSTION OF LIQUID AND GAS-FUEL FUEL by mixing them at the lower limit of the gas / liquid ratio of 0.3 kg / kg, and feeding the mixture to spray into the combustion zone, characterized in that, in order to increase heat transfer from the flame to heat-absorbing surfaces by To increase the luminosity and stability of the torch, highly viscous waste oil is used as liquid fuel, and refinery gases are used as gaseous fuel, the upper limit of the gas / liquid ratio being set at 0.8 kg / kg.