Жидкое топливо (мазут)

Важнейшим свойством жидкого топлива является способ­ность сгорать в жидком состоянии. Жидкое топливо состоит из четырех основных групп углеводородов: парафинов, олефинов, нафтенов и ароматических соединений.

Основные виды жидкого топлива: минеральное нефтяное ма­сло (из сырой нефти), каменноугольное масло (смоляные фрак­ции перегонки каменного угля), буроугольное масло (смоляные фракции перегонки бурого угля).

В состав жидкого топлива входят 85—90% углерода, 5—10% водорода и 3—4% кислорода, азота и серы. В некоторых сортах жидкого топлива содержание серы достигает 3%. Несмотря на значительный разброс вязкости жидкого топлива, его низшая теплота сгорания лежит в узких пределах: 8500—10 000 ккал/кг.

19.2.1. Вязкость. Основной характеристикой жидкого топли­ва является вязкость. Вязкость измеряется в абсолютных и от­носительных системах единиц. В Европе применяют шкал у Энг — лера, в Англии вязкость измеряют в секундах Редвуда, а в США — в секундах Сейболта. В абсолютной системе единиц ди­намическая вязкость измеряется в пуазах, а кинематическая вязкость — в стоксах. Например, 1 сантистокс соответствует вязкости воды при 15° С. Градусы Энглера показывают время вытекания масла по отношению к воде; жидкое топливо с вяз­костью 100 градусов Энглера требует в 100 раз больше времени на вытекание, чем вода.

Жидкое топливо высокой вязкости значительно дешевле, но требует подготовки и применения подогревательных устройств для снижения вязкости.

В табл. 19.6 приведено сравнение различных шкал вязкости.

Вязкость определена при следующих температурах: для еди­ниц Редвуда —100°F (37,4°С), Сейболта — 70°F (21°С), для тяжелого нефтяного масла (№ 6 по ASTM) Сейболт-Фурол — 122° F (50° С) и Сейболт-Универсал— 210°F (99°С).

При увеличении температуры вязкость жидкого топлива снижается и при температуре около 120° С принимает постоян­ное значение. Поэтому бесполезно подогревать топливо выше

Таблица 19.6. Сравнение единиц вязкости

Градусы Энглера, °Е

Саитистоксы, сСт

Секунды Сейбол — та-Уииверсал SUS

Секунды Сейбол — тз-Фурол SFS

Секунды Редвуда R"

3,0

20,6

100

15

89

4,8

34,2

160

20

145

8,8

65,0

300

32

292

14,0

108

500

52

438

23,0

173

800

81

800

43,0

324

1500

150

1400

87,0

648

3000

300

2800

Чем до 120° С с целью снижения его вязкости и улучшения рас­пыления в форсунке.

19.2.2. Плотность, типичный состав и свойства жидкого топ­лива. Плотность жидкого топлива обычно равна 1 г/см3 при 15° С. Плотность, найденную при другой температуре, пересчи­тывают на 15° С с учетом коэффициента объемного расширения 0,00065° С.

В цементной промышленности США наиболее распростра­ненным топливом является мазут № 6 (фирма «Хамбл Ойл Энд рифайнинг»). Он имеет следующие характеристики:

Цвет…………………………………………………………………………………………………….. черный

Плотность при 15° С…………………………………………………………………………………. 0,9861

Вязкость, сСт, при 38° С………………………………………………………………………………. 360,0

Вязкость при 50° С, сек Сейболт-Фурол………………………………………. " . . . 170

Точка текучести, °F…………………………………………………………………………………………. 65

Температура перекачивания, °F……………………………………………………………… 100

Температура распыления, °F…………………………………………………………………… 200

Углеродный остаток, %………………………………………………………………………….. 12,0

Сера, %…………………………………………………………………………………………… , макс. 2,8

Кислород и азот, %………………………………………………………………………………… 0,92

Водород, %…………………………………………………………………………………………… 10,5

Углерод, %…………………………………………………………………………………………… 85,70

Осадок и вода, %…………………………………………………………………………………… макс. 2,0

Содержание золы, %………………………………………………………………………………. 0,08

Высшая теплота сгорания Но, Btu/галлон (Btu/фуит)[20]…………………………………. 150 000

(18 000)

Следует отметить, что американские нормы по жидкому топ­ливу (ASTM 396-64Т) не содержат никаких ограничений отно­сительно содержания серы.

Требования к наиболее распространенным в ФРГ типам жид­кого топлива изложены в нормах DIN 51603 (1963 г.). Различа­ют пять сортов жидкого топлива: 1) мазут EL — очень легкий; 2) мазут L — легкий; 3) мазут М — средний; 4) мазут S — тяже­лый; 5) мазут ES — очень тяжелый.

Мазуты L и М являются продуктами переработки каменного и бурого угля, а мазуты EL и S — продуктами переработки неф-

Таблица 19.7. Характеристики мазута S по DIN 51603 и их средине значения

Характеристика

DIN 51603

Средние значения

Плотность при 15° С, г/см3 Точка воспламенения, °С Вязкость при 50° С, сСт (Е)

Вязкость при 100° С, сСт (Е) Коксовый остаток по Коирадсоиу, % Сера, %

Содержание влаги, %

Низшая теплота сгорания Ни, ккал/кг

0,01—0,06 0,1 86,5

11,5

0,5 10,8(173)

11,3(181)

15,7 1,3

(Btu/фунт)

Зола, %

Осадок, % Углерод, % Водород, % Кислород и азот, %

Теоретический расход воздуха, м3/кг (куб. фут./фунт)

Объем продуктов горения, м3/кг (куб. фут/фунт)

0,94

Определяется

Мии. 65 макс. 450(59)

90—140 190—365 (25—50) 12-28(2—4) 6—10 1,0—2,5 0,1—0,3 9750(17 270)

Макс. 40(5,3) макс. 15 макс. 2,8 макс. 0,5 мин. 9500 (17123) макс. 0,15 0,5

Диоксид углерода, % Водяной пар, %

Высшую теплоту сгорания определяют с помощью калори­метрической бомбы. Для расчета применяют следующую фор­мулу:

Ни = Н0 — 52,1 • о/о Н2 (ккал/кг).

Удельная теплоемкость жидкого топлива в интервале от на­ружной температуры до температуры распыления составляет 0,5 ккал/(кг-°С).

Если известны плотность и содержание серы, то теплота сго­рания Ни может быть найдена по следущей приближенной фор­муле:

Ни = 12958 — 3228D15 — S-70 (ккал/кг),

Где Dis — плотность при 15 °С, кг/дм3; S — содержание серы в мазуте, %.

Каждый процент серы снижает теплоту сгорания топлива на 70 ккал/кг.

Не следует смешивать жидкое топливо разных сортов, так как это часто приводит к образованию хлопьев, препятствующих нормальной работе.

Для удаления из жидкого топлива ванадия, серы и других вредных компонентов применяют добавки, которые образуют с указанными примесями эмульсии. В ФРГ для этой цели добав­ляют к топливу легко удаляемые «Весколин» и «Ванафаг» в со­отношении 1:1000.

19.2.4. Температура факела. Теоретическую температуру фа­кела горения жидкого топлива можно определить по формуле

Q

Т,

Те°Р ~ Vr с ‘ О р

Где Q — теплота сгорания топлива, ккал/кг; Vg — объем продуктов горения, м3/’кг; Ср — удельная теплоемкость продуктов горения.

Если, например, для мазута S подставить значения из табл. 19.7 и принять Ср = 0,40 при температуре около 2000° С, то полу­чим следующую теоретическую температуру факела:

9750

Ттеос =—————- = 2157° С = 3914° F.

Ор 11,3-0,40

На рис. 19.11 приведена диаграмма, по которой можно опре­делить теоретическую температуру факела горения жидкого то­плива в зависимости от избытка воздуха и температуры вторич­ного воздуха при низшей теплоте сгорания Ни=97&5 ккал/кг, плотности 0,96 кг/дм3 и содержании серы 2% [174].

19.2.5. Подготовка жидкого топлива. Мазут, доставленный на цементный завод различными транспортными средствами, с помощью системы разгрузочных насосов подают в резервуар для хранения. При необходимости эта же разгрузочная система насосов оборудуется также устройствами для подогрева мазута,
находящегося в автоцистернах, чтобы ускорить их разгрузку. Емкость резервуара для хранения топлива на цементном заводе зависит от расхода жидкого топлива и местных условий его транспортировки. Применяют резервуары емкостью от 1000 до 10 000 м3 и более. При значительном удалении топливного ре­зервуара от печной установки между ними устанавливается промежуточный резервуар, ем­кость которого должна соот­ветствовать 24-часовому рас­ходу топлива.

Звз2 жо-

Рис. 19.12. Резервуар для хранения жидкого топлива с выпускным подо­гревателем

Перекачиваемость и способность топлива к распылению в форсунке печи во многом зависят от его влажности, что уже от­мечалось выше.

Для подогрева жидкого топлива обычно применяют теплоно­сители трех различных типов: водяной пар, жидкие теплоноси­тели и электрический ток. Как правило, осуществляется местный подогрев топлива возле выпускного отверстия (рис. 19.12).

Крупные резервуары для хранения жидкого топлива обору­дуются несколькими (до четырех) выпускными подогревателя­ми со спиралью накаливания мощностью около 75 кВт каждый. Чтобы обеспечить перекачиваемость топлива, необходимо его подогреть хотя бы до 30—50° С. При этой же температуре осу­ществляется подача топлива в топливные, перекачивающие и нагревательные установки.

T aF °г< ‘Ш? 2500

Жидкое топливо (мазут)

2132 1500

1832 WOO

Рис. 19.1]. Теоретическая температу­ра t факела жидкого топлива в зави­симости от коэффициента избытка воздуха а и температуры вторичного воздуха t\

Поскольку на цементных заводах не всегда доступен водя­ной пар, для подогрева топлива требуется специальный паро­вой котел, обычно с электрическим отоплением. Однако необхо­димость обслуживания небольшой котельной установки, хими­ческой обработки воды для питания котла, отвода конденсата и т. д. обусловливает нецелесообразность применения пара для указанных целей. Например, для нагрева мазута от 50 до 100° С
<с целью сжигания во вращающейся печи с запечными подогре­вателями производительностью 2000 т клинкера в сутки (с рас­ходом мазута около 125—30 кг/мин) нужен паровой котел с электронагревателем мощностью 500 кВт и производительно­стью 655 кг/ч пара.

Жидкое топливо (мазут)

/ — впускной штуцер от промежуточного бака или основного резервуара диаметром 4 дюйма; 2 — двойной фильтр с крупноячеистым ситом; 3 — насос и двигатель tb 1; 4 — насос и двигатель № 2; 5 — регулятор давления мазута; 6 — трубопровод для сброса давления диаметром 1,5 дюйма; 7— трубопровод для слива в бак, диаметром 2,5 дюй­ма; 8— выходной фильтр с мелкоячеистым снтом; 9 — трубопровод подачи топлива к форсунке печи диаметром 3 дюйма

Низкое эксплуатационное давление и текучесть жидких теп­лоносителей обусловили их большее распространение по срав­нению с паром. Для нагревания жидких теплоносителей могут использоваться природный газ, светлые нефтяные масла или электроэнергия. Можно назвать ряд жидких теплоносителей: перегретая вода, ртуть, «Даутерм» (дифенил-дифенилоксид) фирмы «Дау Кемикл К°», смеси растворов солей, например 40% NaN02, 7% NaN03 и 53% KN03, а также различные минераль­
ные масла, например «Мобилтерм» фирмы «Сокони мобил ойл К0» или «Экссон Термал-ойл» и т. д. Эксплуатационная темпе­ратура этих теплоносителей равна примерно 300° С, за исключе­нием подогретой воды, которая применяется при эксплуатаци­онной температуре не более 230° С.

Для подогрева топливных трубопроводов применяется также электрический ток, причем трубопроводы могут служить элек­трическим сопротивлением и нагреваться при прохож­дении тока.

Жидкое топливо (мазут)

Рис. 19.14. Спаренный насос с подогре­вателем для мазута («Дуплекс»)

Насосы с подогревателя­ми служат для подогрева мазута от 50 до 100—130° С и подачи под необходимым для распыления давлением в форсунку печи. На рис. 19.13 показана схема такой установки, обеспечивающей работу вращающейся печи тепловой мощностью около 75 млн. ккал/ч при расходе мазута 128 кг/мин с давле­нием насоса 21 ати. Темпе-

Жидкое топливо (мазут)

Рис. 19.15. Общий вид дуплексного насоса с подогревателем для мазута

Ратура исходного мазута 45° С, а подогретого — 110—112° С. В этой установке на общей фундаментной плите соединены топ­ливные насосы, подогреватели и фильтры, которые выпускаются в виде сдвоенных агрегатов («Дуплекс») и блоков (рис. 19.14).

Фильтр с крупноячеистым ситом, имеющим 60—150 ячеек на 1 см2 (25—35 меш), устанавливается перед насосом для пре­дотвращения попадания твердых частиц; фильтр с малой сеткой (1000—6400 ячеек на 1 см2, 100—200 меш) должен предохра­нить сопла форсунок от засорения.

Работа вращающихся печей на мазуте требует значительной производительности подающих устройств и высокого давления. Для этой цели применяются преимущественно плунжерные на­сосы, в частности шестеренчатые винтовые. Центробежные на­сосы здесь мало пригодны.

На рис. 19.15 показан дуплексный насос с подогревателем для мазута фирмы «Коэн Компани — Комбастшн Инджиниэз энд Мэньюкфэкчерерз» (Берлингэйм, Калифорния, США).

19.2.6. Сжигание жидкого топлива. Для расчета состава и ко­личества продуктов сгорания примем следующий состав жидко­го топлива:

С:,

85%

850 г;

Н2:

12%

120 г;

S:

2,4%

24 г;

Н20:

0,6%

6 г;

Всего: 100% 1000г=1кг=2,2 фунта.

Сгорание 1 кг жидкого топлива: высшая теплота сгорания топлива составляет 10 173 ккал/кг (18 350 Btu/фунт). Расчет:

850-32 2266-77

2Н2 + 02 = 2Н20; —-— = 960 г 02; —= 3214rNt;

С + 03=С02; —— = 2266 г О,; —^- = 7586rNg;

850 г С 4- 2266 г 02 = 3116 г С02;

120-32 960-77

—— = 960 г 02; ——

4 2 23

120 г Н2 + 960 г 02 — f 6 г Н20 = 1086 г Н20; >

24-32

S4-02 = S02; —^-=24г02; 24 г S 4-24 г 02 = 48 г S02J

24-77 „

—— = 80 г N 2.

23

Получаем следующий выход продуктов сгорания (ири нор­мальных условиях):

С02 : 3116 г= 1,576 м3

Н20 : 1086 г= 1,351м3

S02 : 48г= 0,016м3

N2 : 10880г= 8,698 м3

Всего: 15130 г=11,641м3.

Если сгорание происходит с 10%-ным избытком воздуха, то объем продуктов сгорания повышается: 11,641-100

-—————- = 12,934м3 (при нормальных условиях).

9J

Избыток воздуха равен:

12,934 — 11,641 = 1,293 м3,

В том числе:

1,293-0,21 =0,271 м3 = 387 г 0«; 1,293-0,79= 1,022 м3 = 1278 г N2.

Поэтому получаем следующий состав продуктов сгорания:

С02: 3116 г = 1,576 м8 = 12,2 объемн. % = 18,6 масс. % Н20: 1086г= 1,351 м3= 10,4 » = 6,5 » S02: 48 Г= 0,016 м3 = 0,1 » = 0,3 » і\2:12158 г = 9,720 м3 = 75,2 » =72,3 » 02:387 г = 0,271 м3 = 2,1 » =2,3 »

Всего 16795 г= 12,934 м3 = 100 объемн. % = 100 масс. %

Анализ газа, проведенный с помощью прибора Орса (Ог — sat), дал другие результаты, так как произошла конденсация водяного пара из продуктов сгорания, который соединился с ас — пирационной водой и поэтому не был учтен в измеренном объе­ме газов.

19.2.7. Распыление жидкого топлива. В цементной промыш­ленности в основном применяются топливные форсунки. Для распыления мазута на мелкие капельки необходима механи­ческая работа. Размер капель в данном случае играет ту же роль, что и крупность пылеугольных частиц при сжигании твердого топлива. Чем меньше размер капель мазута, тем луч­ше горение. Сжигание мазута в виде аэрозоля занимает про­межуточное положение между поверхностной реакцией в пы- леугольном факеле и объемной реакцией при горении газооб­разного топлива.

В работающей форсунке игловидный канал, позволяющий при подаче мазута под высоким давлением (около 45 ати) рас­пылять его, расположен вдоль оси трубы, по которой подается первичный воздух. При распылении под давлением расход пер­вичного воздуха невелик — лишь около 3% всего необходимо­го для горения количества воздуха. Он служит прежде всего для охлаждения трубы форсунки в горячем конце печи, а так­же для зажигания и стабилизации факела. Первичный воздух также служит вспомогательным средством, придающим факелу желаемую форму.

19.2.8. Сравнение угля и жидкого топлива. Оба вида топ­лива, уголь и мазут, успешно применяются в цементной про­мышленности. Выбор вида топлива определяется экономически­ми соображениями. Однако имеются различия в использовании теплоты сгорания топлива обоих видов. Хансен [174] опреде­лил, как показано ниже, энергозатраты, необходимые для на­чала реакции 1 кг мазута типа S (см. табл. 19.7) с кислородом. При этом примем температуры хранения и размягчения мазута равными соответственно 15 и 30° С, а содержание в нем дистил­лята 30%. Затраты энергии на подготовку мазута к сжига­нию составляют:

1) на плавление парафинов, если температура хранения то­плива ниже температуры его застывания (теплота плавления около 0,1 ккал/кг):

(30—15)0,1 = 1,5 ккал;

2) на подогрев для достижения необходимой для распыле­ния вязкости, соответствующей температуре 120° С (удельная теплоемкость мазута 0,5 ккал/ (кг-град):

(120 — 15)0,5 = 52,5 ккал;

3) на испарение 30% дистиллята (30 ккал/кг) —10 ккал;

4) на диссоциацию молекул углеводородов (парафинов, оле — финов, ароматических соединений, нафтенов в зависимости от сырья, из которого получено топливо) на углерод и водород (так называемое экзотермическое тепло). Затраты тепла на этот процесс равны 593 ккал.

В сумме энергозатраты составляют 657 ккал/кг топлива. При низшей теплоте сгорания Ни—9750 ккал/кг они составля­ют

Эта энергия должна поступать от теплоносителя в подогрева­теле и из самого факела. Часть затрат тепла снова возвраща­ется в факел вращающейся печи. Экзотермическое тепло учи­тывается при определении теплоты сгорания топлива при ана­лизе в калориметрической бомбе. Несмотря на это, иногда экзотермическое тепло необоснованно считают причиной увели­чения расхода тепла при использовании жидкого топлива по сравнению с углем. Объяснение повышенного расхода тепла при использовании жидкого топлива по сравнению с углем приведено в разд. 19.3.5.

В табл. 19.8 сопоставлены расходы тепла в печах с тепло­обменниками при применении жидкого топлива и угля.

Таблица 19.8. Повышение расхода тепла при обжиге клинкера в печах с теплообменниками, работающих на жидком топливе, по сравнению с углем

Производительность Расход тепла при применении

Вращающейся печи, т/сут угля, ккал/кг клинкера

Расход тепла при приме — иении жидкого топлива, ккал/кг клинкера

1050 930 950 950 850[21]

1000 850 900 900 835

180 250 380 380 1500

* Смесь мазута с углем.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *