Мазут в теплоэнергетике

Это «грязное» топливо мазут
Тяжелое жидкое топливо (HFO – heavy fuel oil) включает в себя немало разновидностей топочных, флотских марок мазута и печного топлива. Топочные мазуты получают на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) либо в процессе перегонки нефти, либо при высокотемпературной переработке ее промежуточных фракций (крекинг-процессе). По способу производства различают прямогонные и крекинг-мазуты. Прямогонный мазут - кубовый продукт, получаемый непосредственно при атмосферной перегонке нефти без компаундирования с мазутами вторичных процессов. Крекинг-мазут - тяжелый высоковязкий остаток крекинг-процесса.
К котельным топливам относят топочный мазут марок М40, М100 и М200, вырабатываемый по ГОСТ 10585-99. В М40 для снижения температуры застывания до 10ºС добавляют 8-15% среднедистиллятных (дизельных) фракций, в М100 эти фракции не добавляют. Мазут М200 поставляется по заказу и подается с НПЗ только по трубопроводам (подогрев его открытым паром запрещен).



Классификация мазутов (рис. ООО «Д-Мобайл»)

Тяжелые моторные топлива – флотские мазуты Ф-5 и Ф-12, а также марки ДТ и ДМ, судовые топлива – дистиллятное ТМС и остаточные СВТ, СВЛ, СВС. Флотский мазут Ф-5 получают смешением продуктов прямой перегонки нефти: 60-70% прямогонного мазута и 30-40% дизельного топлива с добавлением депрессорной присадки. Допускается использование в его составе до 22% керосино-газойлевых фракций вторичных процессов.
Котельные топлива применяют в стационарных паровых котлах, в промышленных печах. Тяжелые моторные и судовые топлива - в судовых и стационарных (дизельных) энергетических установках. Условия применения мазута определяются содержанием воды, механических примесей, зольности, содержанием серы, вязкости, температурой застывания и вспышки, теплотой сгорания.
Чем же отличается HFO от дизельного топлива ГОСТ305? Это:
- более высокая вязкость. У дизтоплива вязкость лежит в пределах 3-8 сСт при 50оС, а у мазута она ниже 16-18 сСт не бывает и достигает (у заграничных производителей) 700 сСт и выше за счет большой концентрации тяжелых и сложных углеводородов;
- мазут чаще всего более «грязный», чем топливо ГОСТ305, и требует более тщательной фильтрации от механических примесей, воды и парафинов (которые вызывают засаливание топливной аппаратуры и закоксовывание распылителей форсунок у дизельного двигателя).
- в мазуте более высокое содержание соединений серы, ванадия, алюминия и т.п. вредных примесей, которые усиливают коррозию деталей двигателя и снижают его моторесурс.
- мазут должен иметь цетановое число не менее 45 (в соответствии с ГОСТ на дизельное топливо 305-82 и 1667-68), во избежание детонационных явлений в цилиндрах двигателей.



Anegasaki Thermal Power Station (фото Tokyo Electric Power Company)

Мазутное хозяйство электростанции

Первоначально мазут как топливо стал использоваться исключительно для сжигания в топочных котлах электростанций, оборудованных паровой турбиной – и в этом качестве он широко применяется до сих пор. В мире функционирует немало тепловых электростанций на мазуте, крепнейшие из которых располагаются в Японии – это Kashima (4,4 ГВт, построена в 1975 г.), и Anegasaki (3,6 ГВт, 1980 г.).
Мазутное хозяйство электростанции, использующей мазут в качестве основного или резервного топлива для котла, состоит из эстакады для приема ж/д цистерн, помещения с насосами, мазутохранилища и системы трубопроводов с запорной арматурой. Мазут из цистерн сливается в приемно-сливные лотки и самотеком поступает в  промежуточную емкость, предназначенную для нормализации слива и подъема температуры мазута. Из этой емкости продукт нефтяными насосами перекачивается в мазутохранилище – резервуары для хранения и подготовки к сжиганию мазута (в них происходит подогрев и перемешивание топлива).
Температура хранения мазута не должна превышать 90°С (оптимально 60°С). При его охлаждении до 40°С включается разогрев с помощью подогревателя. Если мазут работает на сжигании, его температура в хранилище поддерживается на уровне 75-80°С.
Мазутонасосная обеспечивает прием мазута, его перекачку в хранилище, подогрев резервуаров паром и подачу мазута к форсункам котлов. На всасывающей линии насосов, подающих топливо в хранилища, ставятся фильтры грубой очистки. После подогревателей, на линии подачи мазута к форсункам – фильтры тонкой очистки.
Для подогрева мазута во всем цикле используются т.н. закрытые подогреватели.
Персонал станции должен постоянно отслеживать техническое состояние трубопроводов, запорной арматуры, фланцевых и муфтовых соединений, периодически продувать паром мазутопроводы, фильтры и подогреватели.
Если мазутное хозяйство электростанции работает в аварийно-растопочном режиме, на ней организуется рециркуляции мазута через мазутное кольцо котельного отделения (иногда такая схема реализуется и на чисто мазутных станциях). В этом случае перед насосом, подающим топливо к форсункам, установливается разгрузочный трубопровод для сброса мазута во всасывающую линию.



Насос УОДН (846)3314307

На море и на суше

Исторически следующим шагом в применении мазута как топлива стало изготовление усовершенствование конструкции классических дизельных двигателей, которое позволило им работать на особым марках мазута, получивших название «флотских». Главной функцией парового котла стал подогрев топлива перед его подачей в двигатель.
В России дизельные агрегаты, способные работать на HFO, начали эксплуатироваться с 1975 года. Региональный директор «Wärtsilä Finland Oy Power Plants» Гарри Линдруус (Harry Lindroos) в интервью информационному бюллетеню компании «Энерготех» (Москва) сказал: «Успешный выход корпорации на советский рынок дизельных агрегатов в 70-х годах прошлого столетия произошел благодаря новой уникальной технологии, которая использовалась на судовых дизельных двигателях, производимых Wärtsilä. Ноу-хау позволяло 4-тактным дизельным двигателям работать на тяжелом мазуте. Конкурирующие компании смогли внедрить подобную технологию только десятью годами позже».
«Речь идет о системе топливоподготовки, включающий подогрев тяжелого топлива (до вязкости не более 10-12 сСт) и форсунок, сепарацию, фильтрацию или гомогенизацию тяжелого топлива, - уточняет Владимир Сорокин, зав. отделом энергетических установок ЗАО «ЦНИИМФ» (С.-Петербург). - Эта технология обеспечила успешное применение тяжелого топлива в судовых дизелях. И в настоящее время является классикой и применяется на всех судовых двигателях, работающих на тяжелых топливах».
Сейчас уже практически все дизельные судовые и стационарные двигатели ведущих зарубежных фирм могут работать на высоковязком дизельном топливе (до 380 сСт, а некоторые – до 700 сСт) при 50оС.
Современные судовые HFO-двигатели – мало-, средне- и высокооборотные дизели с наддувом. Малооборотные двигатели (в основном двухтактные, до 250 об./мин) имеют единичную номинальную мощность до 80 МВт, среднеоборотные (300-1000 об./мин) – до 20 МВт, высокооборотные (от 1000 об./мин) – до 9 МВт. Удельный эффективный расход топлива находится в пределах 205-230 г/кВт•ч.



Судовой дизель Sulzer 12RTA96C

Генераторные установки на мазуте состоят из топливной системы, смазочной (центробежный сепаратор и фильтр обратной промывки), системы охлаждения воды, воздушной системы запуска (компрессор) и электрической системы с панелью управления и мониторинга. На судах эти установки не только вращают гребные винты, но и обеспечивают питанием электрику.
«Действительно, Wärtsilä первой пришла к выводу, что в скором времени обеспечение работы дизельных двигателей на высоковязком топливе станет очень актуально, - рассказывает Александр Калинин, начальник отдела конструкторского мониторинга, изучения рынков сбыта двигателей и электрических агрегатов департамента разработки и конструирования двигателей и электрических агрегатов ОАО «РУМО» (г. Нижний Новгород). - Нельзя не учитывать тот факт, что в Западной Европе очень мало месторождений нефти, и топливный кризис, который разразился на Западе в то время, особенно больно ударил по Европе.
Вообще, мазут и «тяжелые» дизельные топлива вязкостью более 18-20 сСт для работы средне- и высокооборотных дизельных судовых и стационарных двигателей в СССР практически не применялись, поскольку легкое дизельное топливо ГОСТ 305-82 (вязкость до 6 сСт при 20°С) и моторное топливо марки «ДТ» ГОСТ1667 (т.н. «газотурбинное топливо» вязкостью до 18 сСт при 20°С) были достаточно широко распространены и дешевы. Кроме того, климатические условия на большей части СССР не позволяли широко использовать высоковязкое «тяжелое» топливо (в т.ч. мазуты). На флотском мазуте работали только тяжелые двухтактные дизели, которые по лицензии фирмы «Бурмейстер и Вайн» (Дания) освоил Брянский машиностроительный завод в конце 1960-х гг. В 1980-е гг. дизели, способные работать на более тяжелом, чем по ГОСТ305, топливе, стал выпускать завод «Русский дизель» г. С. Петербург, купив лицензию на дизели ряда ЧН40/46 у фирмы «S.E.M.T. Pielstick». В 1970-1980-е гг. вопросами работы на тяжелом дизельном топливе (марки «ДМ» ГОСТ1667 и флотском мазуте) занимался и завод «Двигатель Революции» (теперь ОАО «РУМО»). Работа на высоковязком дизельном топливе отличается от работы на легком топливе тем, что высоковязкое топливо не может быть успешно прокачано плунжерным насосом высокого давления и очень маленькие отверстия распылителя форсунки. Для обеспечения работы на высоковязком топливе его вязкость нужно снизить до 8-10 сСт, что достигается только нагревом его до соответствующей высокой температуры (часто более 100°С). Для работы на таком топливе нужно иметь особую топливную аппаратуру (охлаждаемые ТНВД и форсунки, т.е. на двигателе необходимо иметь дополнительную систему охлаждения топливной аппаратуры), а в машинном отделении судна установить специальное оборудование подготовки топлива к подаче в дизель в составе: насос, подогреватель, вискозиметр – если подаваемое топливо имеет переменную вязкость, систему автоматики. Кроме того, запускать двигатель и останавливать можно только на легком топливе, т.к. высоковязкое топливо, оставаясь после остановки и перед пуском двигателя в топливной аппаратуре высокого давления, закупоривает ее полностью, препятствуя движению топлива. Заводом «Двигатель Революции» была разработана и в дальнейшем серийно изготавливалась автоматизированная двухтопливная система  подачи высоковязкого топлива в двигатель, которая и обеспечивала все вышеуказанные условия работы двигателя. Данная система поставлялась с дизелями ряда 6ЧРН36/45 (Г70, Г74) на суда, которые по роду своей работы часто вынуждены были заправляться топливом (бункероваться) в иностранных портах, где легкое дизельное топливо было очень дорого, да и не всегда в наличии. Поэтому приходилось бункероваться «тяжелым» дизельным топливом. Применение работы дизелей на высоковязком топливе в Советском Союзе было вынужденным именно по этой причине. Применение высоковязкого топлива связано с необходимостью использования дополнительного оборудования как на самом судне (оборудование подготовки топлива к подаче в дизель, по перекачке топлива по внутрисудовым трубопроводам и цистернам), так и на береговых и плавучих бункеровочных базах. Для подогрева топлива использовался чаще всего пар, поэтому наличие паровых котлов на судах, работающих на высоковязком топливе, было обязательно. Кроме того, необходимо было обеспечивать подогрев такого топлива и на плавучих и береговых заправочных станциях, что связано с большими затратами и расходами топлива. Поэтому суда, которые плавали только по внутренним водным путям и в каботаже, всегда заправлялись только легким дизельным топливом.



Динамика средних цен на мазут М 100 (ГОСТ) в 2008-2009 гг. (данные ООО «ТрансСервис»)

Большинство дизельных заводов СССР специализировалось на производстве дизельных двигателей, которые работали только на легком топливе. Это - завод «Дальдизель» (г. Хабаровск), завод «Барнаултрансмаш», Алтайский дизельный завод», «Турбомоторный завод» (г. Свердловск), завод «Звезда» (г. Ленинград), «Коломенский завод» (все их тепловозы до сих пор работают только на легком топливе), завод «Пензадизельмаш», «Богородский машиностроительный завод», «Первомайскдизельмаш» (г. Первомайск, Украина), «Юждизельмаш» (г. Токмак, Украина), «Волгодизельмаш» (г. Балаково) и др. Вопросами работы дизелей на высоковязком дизельном топливе занимались только завод «Двигатель Революции», завод «Русский дизель», завод им. Малышева (г. Харьков) и «Брянский машиностроительный завод», и то при этом большую часть их продукции все равно составляли дизельные двигатели, работающие на легком топливе.
За границей, особенно в Европе, Америке, Африке, некоторых странах Азии дизельные двигатели, работающие на HFO, составляют сейчас подавляющее большинство как на судах, так и на суше (электростанции).  В России и странах СНГ при сохранении комплектующего энергетического оборудования как судов, так и стационарных дизельных электростанций, построенных еще в советский период, большая часть дизельных двигателей, как судовых, так и промышленных, работает на дизельном топливе ГОСТ305-82. Не следует также забывать, что на легком дизельном топливе до сих пор работают и будут работать двигатели военных кораблей, стационарных энергетических объектов Минобороны и атомной промышленности, а также фирм, работающих в приполярных районах, т.к. только двигатели на хорошем легком дизельном топливе обеспечивают высокую надежность энергообеспечения».
К нашему времему мазутные HFO-агрегаты уже давно «выбрались на сушу» - сейчас такие генераторные установки (500-1200 об./мин), с выходной мощностью 0,5-10 МВт служат как основным, так и резервным источником электроэнергии и пара (при установке котла-утилизатора) в промышленности и ЖКХ. В качестве основного толива в них применяется дизельное, но нередко и топочный мазут. Наиболее мощные модели на HFO выпускают зарубежные компании: S.E.M.T. Pielstick (входит в MAN B&W Diesel Group), Wärtsilä, Caterpillar, Sulzer Turbo Services, DEUTZ, Niigata Power Systems, Mitsubishi, Daihatsu. Двухтопливные электростанции есть в номенклатуре и признанных зарубежных производителей, и российских – ОАО «Коломенский завод» (1-1,65 МВт), ОАО «РУМО» (800-1000 кВт), ОАО «Волжский дизель им. Маминых» (520 кВт), ООО АРЗ «Синтур-НТ» (75-140 кВт).



Динамика средних цен на мазут в 2007-2009 гг. (данные ООО «ТрансСервис»)

«Россия не производит мощные (более 5МВт) судовые дизели и в данной области не конкурирует с зарубежными аналогами, - замечает Владимир Сорокин. - Однако ОАО «БМЗ» выпускает судовые малооборотные дизели по лицензии фирмы «МАН Дизель», которые работают на тяжелых топливах, включая топочный мазут 100».
«На российских дизельных электростанциях традиционно, в соответствии с распределением ниш рынка еще с советских времен, наиболее марки двигателей производства тех заводов, которые были специализированы на производстве стационарных двигателей, - говорит Александр Калинин. - Это двигатели марок Г66, Г72, Г72М, 6-8Ч23/30 производства ОАО «РУМО», ЧН26/26 и ЧН30/38 производства ОАО «Коломенский завод», ЧН25/34 производства ОАО «Первомайскдизельмаш», 3Д6 и 3Д12 производства ОАО «Барнаултрансмаш». Еще работают, но уже не так много, двигатели производства «Русского дизеля», «Дальдизеля», Завода им. Малышева. Остальные российские заводы представлены пока единично. В последнее время все больше устанавливается двигателей производства ЗАО «Волжский дизель им. Маминых» и западных производителей.
В принципе, обеспечение работы дизельных двигателей на высоковязком топливе в России и в настоящее время не очень актуально, т.к. легкое дизельное топливо еще достаточно недорого и доступно, а расходы на создание и поддержание в работоспособном состоянии оборудования для хранения, перекачки и подачи в двигатель высоковязкого топлива в условиях российского климата часто сравнимы или даже выше затрат на закупку более дорогого (хотя и не всегда – настоящее «тяжелое» дизельное топливо вязкостью 180...380 сСт и выше в России дороже «солярки» в разы) легкого дизельного топлива. Тем более что высоковязкое топливо значительно хуже легкого в части наличия вредных примесей (вода, сера, алюминий, ванадий, мех. примеси  и т.п.) и по части сжигания в цилиндре двигателя (много тяжелых ароматических углеводородов, которые просто хуже горят). Для нас в настоящее время более актуальным является вопрос обеспечения работы дизельных двигателей на сырой нефти, т.к. во многих местах, где требуется получение электроэнергии от дизельных электростанций (это Сибирь, Дальний Восток, Крайний Север) имеется дефицит дизельного топлива, производимого в основном в европейской части России, и большое количество сырой нефти во многочисленных месторождениях Сибири.


ДРА Г74 (фото ОАО «РУМО»)

Многие российские двигателестроительные фирмы в настоящее время проводят большие работы по обеспечению работы на высоковязком топливе, в т.ч. мазутах и сырой нефти - даже те, которые раньше никогда этим вопросом не занимались. Кстати, практически вся линейка дизельных двигателей, выпускаемых ОАО «РУМО» (кроме дизелей ряда 6-8Ч23/30 мощностью 242-440 кВт), может работать на высоковязком дизельном топливе, мазутах и сырой нефти, причем, на постоянной основе. Например, в Индии, Вьетнаме, Индонезии эти двигатели уже с 1980-х гг. работают на местном высоковязком топливе. В Европе наши новые двигатели ряда ЧН22/28 работают на биотопливе на основе подсолнечного масла с вязкостью 65 сСт при 20°С. В целом же российские (и советские) дизельные двигатели за границей никогда не конкурировали с дизелями западного производства по техническим параметрам. Заказчики за рубежом покупали наши двигатели или по политическим соображениям (Финляндия, страны СЭВ и соцлагеря, Индия, Египет и т.д.) или по соображениям дешевизны, высокой надежности и неприхотливости нашей техники (тяжелейшие климатические условия тропической Африки и Южной Америки, Пакистана, Афганистана, Ирана и т.п., когда двигатели западных фирм работают ненадежно, с отказами, при значительно пониженной мощности, требуют для своей работы высококачественного дорогого машинного масла и других расходных материалов, квалифицированного обслуживания (специалистов приходится вызывать непосредственно с фирмы-производителя), дорогостоящих запасных частей и ремонта и т.п. Двигатели советского производства всегда отличались в выгодную сторону от западных двигателей именно по этим параметрам.
Сейчас, когда единая двигателестроительная отрасль России (СССР) развалилась на отдельные, мелкие, не связанные друг с другом заводы и производства, российские модели двигателей, в т.ч. и работающие на HFO, но отстающие от продукции ведущих западных фирм по своему техническому уровню, тем более не составляют конкуренции на внешнем рынке своим западным аналогам. Но, в связи с указанными преимуществами, а также в связи с менталитетом механиков, привыкших работать с простыми, неприхотливыми, надежными в эксплуатации, подробно изученными двигателями, продукция российских двигателестроительных успешно конкурирует с двигателями западных производителей как в России и странах СНГ, так и в некоторых странах Азии, Африки и Латинской Америки».

6С22Д на стенде (фото ОАО «РУМО»)

Кому налить водо-мазутный коктейль?
В процессе получения на НПЗ и дальнейшей транспортировки в состав высоковязких тяжелых топочных мазутов попадают твердые минеральные примеси - соли щелочных металлов, продукты коррозии трубопроводов, резервуаров и оборудования. Кроме того, подогрев мазута способствует повышению скорости полимеризации асфальтеносмолистых включений, что приводит к росту коксования и появлению отложений на поверхностях нагрева подогревателей мазута, котлов. Этот нефтяной осадок обладает низкой текучестью, что затрудняет его всасывание и перекачку топливными насосами. Не стоит забывать и о воде, которая обычно содержится в мазуте в количестве до 15%.
Неоднородность состава (переменная вязкость и плотность мазута) приводит к появлению предельно-допустимых нагрузок в топливных насосах, которые начинают работать в неустойчивом пульсирующем режиме. Она же служит причиной нарушения гидродинамических и тепловых процессов, происходящих в теплообменных аппаратах мазутного хозяйства, к повышенной коксуемости мазута, к снижению качества его распыливания, ухудшению функционирования горелочных устройств, к снижению качества процесса горения топлива в топках котлов.
«Обычно используемые традиционные методы подготовки топлива (отстой и сепарация) сопровождаются потерями топлива с отходами в количестве до 8%, что к тому же увеличивает количество отходов подлежащих утилизации (уничтожению) и повышает опасность загрязнения окружающей среды, - полагает Игорь Филиппов, генеральный директор ЗАО «Грей» (С.-Петербург). - Для высоковязких топлив, получаемых компаундированием, отстой и сепарация оказываются недостаточно эффективными из-за их высокой неоднородности, что кроме повышения потерь топлива негативно отражается на работе энергетического оборудования».

Установка ВКИ-3Б в котельной (фото ЗАО «Грей»)

Российские новаторы борются со всеми этими вредными явлениями путем разработки новых технологий и аппаратов для получения гомогенного водомазутного топлива (ВМТ). Назначение этих устройств - добиться диспергирования воды до микрокапель размером в несколько микрометров.
«Использование дезинтеграторов позволяет диспергировать воду до микрокапель с размером 1-2 мкм, что обеспечивает стабильность ВМТ, возможность его хранения без расслоения до 30 суток, улучшает распыливаемость топливной композиции за счет «микровзрывов» при нагреве капель, сдерживает процессы пиролиза и коксования мазута на начальных стадиях горения, – говорит Александр Кондратьев, д.т.н., профессор, академик РАЕН. - Эти особенности ВМТ позволяют организовать его сжигание с очень высокой полнотой сгорания, без сажеобразования. По сравнению со сжиганием обычного мазута сажеобразование снижается не менее, чем на 80-90%, выбросы оксидов азота снижаются на 30-55%, монооксида углерода на 85-95%, бензпирена и других полициклических ароматических углеводородов на 60-90%. Во всех случаях отмечено снижение расхода топлива на 6-7%, повышение яркости факела, снижение нагрузок на тягодутьевые устройства до 10%».
Российскими разрабочиками создано несколько типов таких дезинтеграторов. Смеситель-гомогенизатор типа ВКИ относится к типу роторно-пульсационных аппаратов и механически обрабатывает топливо с получением однородной водо-топливной эмульсии (ВТЭ – синоним ВМТ). После гомогенизации в структуре топлива исключаются мазутные сгустки и водяные пробки (линзовые включения).
«Обрабатываемая среда через входной штуцер поступает в рабочую камеру смесителя и перемещается лопатками крыльчатки через прорези колец ротора и статора где возникают пульсации давления и образуются кавитационные пузырьки, при схлопывании которых образуются ударные волны. Под действием ударных волн происходит дробление твердых веществ и диспергирование капель жидкости., - рассказывает Игорь Филиппов. - Одновременно, за счет вращения крыльчатки и колец ротора, смеситель работает как центробежный насос, разряжение на входе и напор на выходе которого зависит от числа оборотов. Производительность установок ВКИ - 0,1-20 м³/ч. Отличительной особенностью установок ВКИ является то, что при обработке и эмульгировании нефтепродуктов, содержащих 15% воды, получается эмульсия с вязкостью равной вязкости исходного топлива. Это объясняется тем, что при однократном прохождении через аппарат происходит измельчение асфальтосмолистых веществ, содержащихся в топливе и одновременно диспергирование воды до размеров 5-10 мкм. Асфальтосмолистые вещества адсорбируясь на поверхности раздела воды и топлива стабилизируют эмульсию, при этом вязкость самого топлива снижается на 15%. Наличие 15% воды в свою очередь повышает вязкость всей системы также на 15%. В результате снижение вязкости за счет гомогенизации компенсирует повышение вязкости за счет наличия частиц воды в эмульсии».


Основные параметры мазута М-100 (источник: ООО «ТрансСервис»)

«Структура ВТЭ исключает разрушение эмульсии с выделением воды при ее длительном (более года) хранении, - считает Владимир Смолянов, председатель совета директоров группы компаний «Чистые технологии» («CTG», С.-Петербург). - При однократном пропускании обрабатываемой среды через аппарат происходит образование стабильной структуры. Размер частиц воды размером 5-10 мкм оптимален с точки зрения экономии топлива, стабильности и содержания вредных веществ в продуктах сгорания. При размере частиц воды менее 5 мкм ухудшается горение жидкого топлива в котлоагрегате, а при размере частиц более 10 мкм уменьшается стабильность эмульсии и ухудшается горение. Минимум содержания сажистых частиц в продуктах сгорания достигается при размерах капель воды в эмульсии в пределах 5-12 мкм. Отклонения в размерах капель воды (уменьшение или увеличение) от оптимальных приводит к значительному увеличению концентрации сажистых частиц и бензпирена в продуктах сгорания. Минимальный выход сажистых частиц наблюдается при влажности 8-12%, бензпирена - при влажности 15%.
При размерах частиц 1 мкм и менее давление водяного пара в капле топлива недостаточно для разрыва капли и ее дополнительного диспергирования, поэтому происходит образование внутренних полостей в капле топлива, заполненных паром. В результате этого горение капли водотопливной эмульсии происходит аналогично горению капли топлива, не содержащего воду».


Слева: зависимость эффективной вязкости исходного мазута (без обработки) вязкости мазута М-100 от температуры. Справа: зависимость вязкости от температуры для эмульсии мазута М-100, содержащей 15% воды. Эмульсия была получена в котельной ЭУ-6 Красносельского филиала государственного предприятия «Топливно-энергетический комплекс С.-Петербурга» на установке ВКИ-3Б за один цикл обработки исходного мазута (рис. ФГУ НПО «Гидротрубопровод»)

Специалистами ООО «Монотест» разработана установка ТСА-ВЭ (трансзвуковой струйный агрегат – водотопливная эмульсия), которая работает на другом принципе диспергирования примесей и неоднородностей в мазуте. Установка ТСА - это статический смеситель, в который топливо подается насосом, и обработка идет за счет прохождения топлива через сопло Лаваля. В простейшем случае такое сопло представляет из себя два усеченные конуса, в которых поток сначала сужается, а потом расширяется. При прохождении жидкости в первом конусе происходит ускорение потока, а при выходе из него во второй конус в потоке топлива за счет резкого расширения падает давление, образуются разрывы потока и появляются парогазовые кавитационные пызырьки, что усиливает процессы гидродинамической обработки.
ТСА-ВЭ также позволяет получить однородную ВТЭ с максимальным размером частиц воды, не превышающим 10 мкм.
«Следует заметить, что не всегда увеличение интенсивности обработки (косвенно это показывает потребление энергии) положительно сказывается на качестве эмульсии – очень часто при получении мелкой эмульсии ее стабильность получается не очень высокая, - говорит Игорь Филиппов. - Были случаи, когда диспергирование на ультразвуковой установке позволяло получить эмульсию с размером частиц воды 4 мкм, которая распадалась через 6 часов с выделением воды. Обьясняется это тем, что у эмульсий, полученных при обработке на разных аппаратах, получается разная коллоидная структура, что и определяет показатели вязкости и стабильности.



Cхема организации обработки мазута (рис. ЧП «Кавитационные технологии «Кавитус»)

Что касается процентного содержания воды, то она по ГОСТу в мазуте должна содержаться в количестве не более 1,5% (0,5%). Однако если спросить любого директора котельной - сколько у вас воды в мазуте, практически все ответят – в среднем 15%, а зимой иногда и до 20%. Отсюда становится понятно, что дополнительно добавлять воду в мазут - это просто безграмотность. Единственное, что в этом случае будет хорошего - это снижение окислов азота (из-за падения температуры горения), а все остальные показатели будут только ухудшаться. КПД котла достигает максимального значения при содержании воды в эмульсии около 10%, при содержании воды 20% КПД уже равен КПД котла, работающего на «безводном» (0,5-1,5% воды) мазуте. При увеличении содержания воды более 20% КПД будет быстро падать. Хотя эмульсия стабильно горит при содержании воды до 55%, но это уже из области утилизации, когда КПД не важен, а главное стабильное горение. А теперь посчитаем - к имеющимся в мазуте 15% воды добавляем еще 10% (мы-то думаем, что мазуте воды всегда по ГОСТу) и получаем 25% воды. В результате – увеличение расхода топлива, коррозия в дымоходах (при снижении температуры уходящих газов до «точки росы» вода конденсируется  с окислами азота и серы – получаем соответствующие кислоты). При этом следует заметить, что обычные приборы учета в котельных не могут точно зафиксировать изменение расхода топлива. Например,  у меня есть акт о том, что в котельной консервного завода (г.Керчь) сжигали эмульсию, приготовленную на установке ВКИ-3Б, с содержанием воды 20% и все параметры работы котла соответствовали параметрам при работе на мазуте без воды. Отсюда вывод (в официальном акте завода), что установка экономит 20% топлива. И такой акт у меня не один. Конечно, реальная экономия намного меньше, просто ее точно измерить может только специлизированное предприятие».

Котельная ТКУ-7,2 (10 т пара / час) (фото компании «Ростеплоконтракт»)

России множество мелких котельных, на которых используется мазут. Переводить каждую из них на ВТЭ в индивидуальном порядке достаточно сложно, учитывая материальные затраты и технический уровень персонала. «Наиболее рациональным была бы организация региональных установок по переработке мазута в ВТЭ с последующей его поставкой на небольшие котельные, - считает Александр Кондратьев. - То же самое можно было бы организовать на базе крупных тепловых станций. Реализовать это мешает ведомственная разообщенность потребителей (государственных и частных) и оторванность владельцев предприятий от служб эксплуатации. Первые не знают о выгодах ВТЭ, вторые не заинтересованы в «хлопотах» по внедрению, так как проще получать мазут в соотвествии с нормативными требованиями. Кроме того, снижение объема закупок мазута на 6-7% уменьшает его потребное количество, что не нравится поставщикам».
Надо отметить, что за рубежом в промышленно развитых странах как основное топливо мазут практически не применяется и служить в основном резервным топливом на газомазутных котельных установках и растопочным топливом на угольных электростанциях.

Мнение эксперта

Александр Калинин, начальник отдела конструкторского мониторинга, изучения рынков сбыта двигателей и электрических агрегатов департамента разработки и конструирования двигателей и электрических агрегатов ОАО «РУМО»:
- Т.к. топливная аппаратура дизелей рассчитана на работу с топливом вязкостью не более 10...12 сСт, то данное топливо необходимо перед подачей на ТНВД нагреть до температуры, достаточной для обеспечения такой вязкости. Если используется топливо с определенной вязкостью, то можно поставить нагреватель с фиксированным уровнем нагрева. Если вязкость переменная, то управление нагревателем топлива осуществляется от вискозиметра для обеспечения нужной вязкости топлива. Подача горячего топлива в двигатель обусловливает необходимость установки специальной охлаждаемой топливной аппаратуры (форсунок и топливных насосов высокого давления) и системы охлаждения топливной аппаратуры отдельно от системы охлаждения двигателя. При работе на сырой нефти, которая является многофракционным видом топлива, кроме этого необходимо решить вопрос отделения легких летучих фракций, чтобы в дизель подавалась после нагрева только жидкая фракция топлива, и шлама, который всегда присутствует в нефти, даже после ее очистки.
Для уменьшения негативных последствий наличия вредных примесей в топливе применяют выхлопные клапаны из жаропрочной легированной стали с наплавкой, охлаждаемые седла клапанов, для постоянной притирки устанавливаются клапаны с механизмом поворота. Применяют высокощелочные сорта масел (М14Г2ЦС, М14ДЦЛ или другие с аналогичными характеристиками) для нейтрализации кислотного действия серы.



Kashima Thermal Power Station (фото Tokyo Electric Power Company)

В связи с наличием в HFO сложных углеводородов сгорание их в двигателе неполное, происходит сажеотложение в выхлопном тракте, особенно в турбине. Сажу необходимо удалять, чтобы не было произвольного ее сгорания и взрывов. Для этого чаще всего используют подачу пресной воды на вход турбонагнетателя в распыленном состоянии.
Т.к. при остывании HFO при остановке двигателя резко увеличивается его вязкость, то повторный запуск двигателя будет невозможен. Поэтому пуск и остановку дизеля, работающего на высоковязких сортах топлива, необходимо производить на дизельном топливе ГОСТ305.
Для обеспечения работы дизеля с установленными фазами газораспределения и топливоподачи и с необходимым для высокоэффективной работы коэффициентом избытка воздуха, топливо должно обладать сертифицированной теплотворной способностью (удельной теплотой сгорания) не ниже 42,7 МДж/кг (10,2 Мкал/кг).
Наличие серы и ванадия в топливе заведомо снижает ресурс работы некоторых деталей дизеля (выхлопных клапанов и их седел, топливной аппаратуры). Размер снижения ресурса и изменение связанных с этим сроков проведения регламентных работ на двигателе можно определить в процессе опытной эксплуатации дизелей на HFO. Проведение опытной эксплуатации двигателей мы настоятельно рекомендуем, т.к. в период ее проведения специалисты проводят оптимальную регулировку рабочего процесса, фаз газораспределения и топливоподачи, что обеспечивает длительную надежную и безаварийную работу дизеля.

Олег Никитин, EnergyLand.info
Консультант: Владимир Догадаев
На заставке фото Павла Калашникова
Ссылки по теме:
СНиП II-58-75. Нормы проектирования. Электростанции тепловые