Реализация хладоресурса углеводородных топлив в силовых и энергетических установках (стр. 6 из 7)
Исследования закономерностей термической деструкции топлив проводились при атмосферном и повышенном давлениях и температурах до 900 oС на экспериментальной установке (Рис.4). В результате проведенных опытов установлено, что при температурах ниже 575-600 оС газообразование практически не наблюдается. Повышение температуры выше 575-600 оС приводит к появлению газообразных продуктов, что свидетельствует о термическом разложении топлив. Увеличение времени пребывания (контакта) также способствует росту газообразования. Изучение же закономерностей образования отложений при термической деструкции показало, что в условиях турбулентного течения металлическая поверхность покрывается тонким сплошным слоем кокса.
Как следует из вышеизложенного, для установок многоразового использования образовавшиеся отложения ставят проблему по их очистке.
В главе 6 приведены физико-механические, физико-химические, химико-термические способы удаления отложений.
Физико-механические методы очистки загрязненных коксоотложениями трубопроводов основаны, как правило, на разрушении отложений путем промывки моющими средствами с ультразвуковым или термоакустическим воздействием. Они используются в основном для очистки неответственных деталей или деталей, механическая обработка которых не представляет опасности с точки зрения нарушения их прочности или состояния рабочей поверхности. Этот метод обладает невысокой эффективностьюпри очистке трубопроводов сложной конфигурации (колен с большими углами загиба, змеевиков и трубопроводов, имеющих глухие полости, впадины и экранированные зоны, исключающие непосредственное попадание в них ультразвуковых волн и т.д.). С помощью этого метода (Табл.2) недостаточно эффективно удаляются твердые отложения, т.к. для этого, как показывают опыты, увеличение трения вследствие торможения потока жидкости недостаточно. Поэтому очистка трубопроводов требует значительного времени и, как правило, разборки установок. Несмотря на то, что этот метод позволяет производить очистку трубопроводов большой длины, тем не менее эта длина ограничена вследствие снижения интенсивности колебаний вдоль трубы. Имеет место продольная неравномерность очистки трубопровода, т.к. начальный участок очищается лучше, чем остальные.
Таблица 2.
Эффективность очистки физико-механическими методами
| Температура образования кокса оС | Степень очистки % |
| 250-350 350-550 550-700 700-800 | До 20 20-30 25-40 90-95 |
Физико-химические методы (Табл.3) являются более эффективными по сравнению с физико-механическими и основаны на удалении коксоотложений посредством щелочных соединений, поверхностно-активных веществ, синтетических моющих средств и растворяюще-эмульгирующих средств.
Таблица 3.
Эффективность очистки физико-химическими методами
| Температура образования | Степень очистки * | |
| коксоотложений, оС | СМС | РЭС |
| 300 | 25-45 | 60-70 |
| 400 | 20-30 | 40-50 |
| 500 | 15-20 | 30-40 |
| 600 | 10-15 | 20-30 |
* Время очистки - 1 час.
Полученные результаты показали, что посредством СМС и РЭС удаляются в основном смолообразные вещества, образованные при температурах поверхности ниже 400 оС. Однако СМС и РЭС малоэффективны при очистке от асфальтено-смолистых и коксообразных веществ, образованных при температурах стенки выше 400 оС. При этом более эффективным средством оказались РЭС.
Недостатком данного метода является: 1. Низкая эффективность удаления твердого кокса. 2. Более интенсивное повторное коксование. 3.Большая длительность процесса очистки.
Химико-термические методы (Табл.4) являются наиболее эффективными по сравнению с выше рассмотренными. Как видно из этой таблицы, химико-термические методы позволяют достичь наиболее высокой степени очистки от кокса (80-100%). Метод выжигания отложений оказался наиболее эффективным. Экспериментальное исследование закономерностей выгорания коксоотложений в потоке О2 проводилось на установке микроэлементного анализа (Рис.8). Через трубку с коксом, нагреваемую снаружи газовой горелкой до температур 800-980 оС, продувался поток О2 или смесь О2+N2 при температуре Т@20 оС.
Недостатком этого метода является высокая энергоемкость процесса, и кроме того, сам процесс удаления кокса путем выжигания осуществляется при высоких температурах (800-950 оС), при которых возможны деформация и разрушение очищаемых элементов.
Таблица 4.
Эффективность очистки химико-термическими методами
| Температура образования кокса оС | Степень очистки, % | ||
| Расплав солей | Расплав щелочей | Сгорание в воздушном потоке | |
| 250-350 350-550 550-700 700-800 | 90-95 87-93 85-90 85-90 | 90-95 86-94 86-90 85-90 | 95-100 92-98 92-95 90-95 |
Автором разработана технология (Рис.15) и опробован на реальных объектах метод удаления коксоотложений посредством озонолиза.
Рис.15Схема технологического процесса удаления коксоотложений озонированием
1 -баллон с кислородом; 2 - генератор озона; 3 - реактор; 4 - электропечь;
5 - очищаемый элемент; 6 – анализатор двойных связей АДС-4;
7 - бак для промывки органическими растворителями;
8 - бак для промывки водными растворами неорганических веществ;
9 - бак для промывки водой; 10 - бак для сушки.
Удаление коксоотложений посредством озонирования проводилось следующим образом: трубка с коксом продувалась смесью О2+О3 при температурах 20-150 оС в течение 15 мин. В качестве источника О3 использовали генератор озона ГО-3 (концентрация О3 в кислороде 4% объемн.). После обработки озоном отложения последовательно обрабатывались ацетоном и 18%-ным водным раствором едкого натрия при температурах 70-85 оС.
В таблице 5приведены данные по степеням удаления кокса на стадиях озонирования и последовательной обработки растворителями.
Таблица 5.
Эффективность очистки методом озонирования
| Степень удаления отложений, % | ||||
| Температура образования | После озонирования | После последовательнойобработки растворителями | S, % | |
| кокса, оС | Ацетон | водный раст- вор NaOH (10%) | ||
| 300 | 30 | 20 | 50 | 100 |
| 400 | 24 | 18 | 55 | 97 |
| 490 | 19 | 15 | 58 | 92 |
Изложенное выше свидетельствует о том, что предложенный метод удаления коксоотложений является весьма эффективным. Технология удаления коксоотложений на базе этого метода включает следующие операции:
1. Обработку отложений озоном при температуре »100 оС; время обработки определяется по прекращению изменения концентрации озона.
2. Промывку продуктов озонирования отложений ацетоном при температуре начала кипения.
3. Промывку продуктов озонирования отложений 18% ‑ным раствором NaOH при температурах 70-85 оС.
Рис.16.Удаление отложений методом озонирования и последующей промывки ацетоном и 18%-ным водным раствором NaOH.
Разработанная технология была использована для удаления кокса из полостей форсунок и топливного коллектора камеры сгорания в МКБ «Гранит» (Рис.16). Очистка проводилась без их предварительной разборки. После очистки посредством озонолиза получен положительный результат, заключающийся в увеличении прокачки топлива, а также в увеличении равномерности распределения расходов топлива через форсунки.
Кроме того, разработанная технология была использована для очистки от кокса закалочно-испарительных аппаратов (ЗИА) и теплообменников нефтехимических производств.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
В результате проведенных комплексных и систематических исследований по изучению закономерностей образования коксоотложений, методов подавления и удаления отложений и процессов теплообмена установлено следующее:
· Проблема с охлаждением силовых и энергетических установок может быть решена за счет повышения охлаждающей способности топлива (реализация теплоты парообразования и приращения энтальпии их паров), при которой суммарный хладоресурс достигает 1200-1400 кДж/кг.
· Процесс образования кокса происходит при нагреве жидких углеводородных горючих и обусловлен окислением растворенным в них кислородом. Основными факторами, оказывающими влияние на процесс образования коксоотложений, являются: химический состав топлива, его фазовое состояние и температура, давление и скорость потока, температура, материал и состояние поверхности нагрева, контактирующей с горючим.